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世界科技全景百卷书: 能源开发新技术
煤的再度开发技术 从18世纪开始到20世纪60年代，煤炭一直是能源舞台上的主角。可是到了60年代以后，中东石油增产，使得煤炭在能源舞台上只能当配角了。 60年代以后，虽然出现了一段石油黄金时代，可是世界能源需求迅速增加，不久，出现了石油危机。这也是为什么近年来，中东地区总是战火纷飞的原因。各种势力都想霸占中东，攫取那里的石油。这给煤炭一个绝好的机会，使它重整旗鼓，又登上能源舞台的宝座，大放异彩。 城市居民天天使用煤气烧菜煮饭，只知道煤气是从煤气厂通过管道输送到千家万户，但并不知道煤气是怎么产生的。过去人们使用煤炭，把它当燃料使用，也就是把煤炭从煤矿中采掘出来，用火车、汽车送往发电厂、炼钢厂等，靠直接接触空气燃烧而产生热能。现在，在煤气厂，煤炭是通过干馏法，就是把煤与空气隔绝后，加热使煤分解成焦炭、焦油和煤气。这是煤气化的一种方法。焦炭可以送到炼钢厂去炼钢，也可以使它与水蒸汽反应，制成水煤气。 我们使用的煤气必须用高质量的煤才能得到。由于低质煤里面有硫等杂质，靠它们制取的煤气里面也会含有硫等杂质，这在使用时很危险，又造成严重的污染。为了充分利用煤炭资源，对这种低质煤怎么办呢？科学家想出一种办法：把低质煤放入一池熔融的铁水中，让它们进行化学反应，使硫等杂质自动“跑”出来，变成渣子浮在铁水上面，这样存下来的煤就成了优质煤。 煤炭气化的更先进方法，是在地下煤层挖通巷道，从巷道的一边送入水蒸气和氧的混合气，在煤层点火，煤在地下就变成一种可以燃烧的气体，从巷道的另一边收集起来，供用户使用。 把煤的气化技术和发电厂有效地统一起来，建造一座煤气化联合循环发电厂。到了夜间，用电量骤然减少了下来，发电设备停止运行时，就利用气化设备继续生产合成气，并转化成有价值的化工副产品。 1803年，在欧洲出现了世界上最早的蒸汽机火车，这种火车一直到现在有些国家还在使用。它用煤做燃料，把水烧成水蒸气，推动车轮转动，使火车在铁轨上行驶。新一代的火车是内燃机火车，固体的煤块不能使用，这又给人们提出了一个“怎么办”的问题。日常生活经验给科学家开了窍。烧一壶开水，水开后溢出的水溅落到煤饼上，炉火不仅没有熄火，反而蹿得更高；家庭主妇为了让煤饼烧得更旺，往往把水洒在煤饼上。煤炭的液化技术产生了。 像磨面粉一样，把煤块碾成非常细的粉末，然后加30％左右的水，用机器把它们搅拌均匀，再加些化学表面活性剂，这好像胶水一样，能使煤和水之间的“粘力”增加，使它们完全粘合在一起。这样制成的水煤浆可以通过管道远距离输送。目前，水煤浆在船用柴油机上的燃烧试验已经取得初步成果。科学家展望，21世纪，水煤浆可以用在内燃机上。 还有一种煤炭液化方法。石油经过提炼后剩下的暗褐色浓稠液体叫重油。把细煤粉与重油混合，加入催化剂，然后送到高压反应管中，加上高压、高温，像变魔术那样，煤炭变成石油了。这种方法工艺复杂，成本非常昂贵。尽管如此，有了它，人们就更有信心对能源前景抱乐观的态度。 核聚变能的继续开发 一说起核聚变，大家会认为那似乎是遥远的未来才能用上的资源。实际上，太阳和其他恒星上时时刻刻都在进行着核聚变反应，太阳能本质上就是太阳的核聚变能中被太阳光送到地球上的那一部分。煤炭、石油、天然气等化石能源本质上是古生物以特殊形式储存起来的太阳（也就是核聚变能）水力发电所以能利用源源不绝地从高处向低处流的水能，归根结底是太阳能把低处的水蒸发，以雨、雪的形式落在高处造成的。风力、波浪、海洋热能等等也都是太阳能的转化形式。所以，除了核聚变能是铀等裂变物质固有的、地热能是地球固有的、潮汐能主要是由太阳和月球的引力造成的以外，其他能源几乎都来自太阳的核聚变能。 自从1952年美国试验成功第一颗氢弹 （我国第一颗氢弹于1967年试验成功）以来，人类开始直接利用聚变能。氢弹爆炸是氘和氚的热核聚变反应，它的巨大能量在一瞬间释放出来，不可控制，只能当做炸弹作破坏之用而无法和平利用。要想使聚变能持续受控地释放出来并转换成电能或其他形式的能量，可就不容易了。人们努力了40年之久，至今受控核聚变仍未实现，仍然是可望而不可及。 可是，科学家们并没有认输，他们仍在继续努力。因为他们知道，只有受控核聚变才是人类取之不尽、用之不竭的既安全又清洁的能源，只有受控核聚变才能让人类一劳永逸地彻底摆脱能源危机的困扰。 受控核聚变消耗的是氘和氚。其中氘是天然存在的，每升海水中含有0.03克氘，地球的海洋里共含45万亿吨氘，听以氘是取之不尽、用之不竭的。氚可以用储量丰富的锂在反应堆中生成。氘和氚将作为第一代聚变反应堆燃料。氘——氘将作为第二代聚变反应堆燃料，它不用较麻烦的氚，只用氘就行了，但它的点火条件比氘—氚燃料还要高些。将来的受控核聚变反应堆会比现在的核裂变反应堆安全得多，因为核聚反应堆不会产生大量强放射性物质，而且核聚变燃料用量极少，每秒钟只须投入1克；停止投入燃料，核聚变反应堆就能迅速关闭，不致发生重大事故。 核聚变反应堆的真正问题不在于关闭，而在于它太难启动了。要实现受控核聚变反应，必要的条件是：要把氘和氚加热到几亿度的超高温等离子体状态，这种离子体粒子密度要达到每立方厘米100万亿个，要使能量约束时间达到1秒钟以上。这也就是核聚变反应点火条件，此后只须补充燃料 （每秒钟补充约1克），核聚变反应就能继续下去。 无论什么样的容器都经受不起这样的超高温，所以，受控核聚变的着急技术在于用磁场把高温等离子体箍缩在真空容器中平缓地进行核聚变反应。但是高温等离子体就像一匹烈马，很难约束得住，被箍缩的高温等离子体很难保持稳定，它应是均匀的柱状，但它细的地方会变得很细，像香肠一样，最后会在这里断开，有时会变得弯曲，像香蕉一样，最终触及器壁。人们研究得较多的是一种叫做托卡马克的环形核聚变反应堆装置，但它至今不能连续运转。所以，托卡马克有无前途，人们还在争论。 另一种方法是惯性约束，即用强功率驱动器（激光、电子或离子束）把燃料微粒高度压缩加热，实现一系列微型核爆炸，然后把产生的能量取出来，惯性约束不需要外磁场。系统比较简单，但这种方法还有一系列技术难题有待解决。 总之，未来的受控核聚变反应堆将是包括了复杂的供电系统、大型超真空系统、加料系统、大容量制冷系统、氚处理系统、遥控操作系统等系统的极复杂的高技术装置。再进一步，将是聚变——裂变混合反应堆。它的中心是聚变反应堆芯，其周围是天然铀组成的包层，包层可以被转换成裂变材料，起到燃料增殖作用，与裂变反应堆相匹配，大大提高铀资源的利用率。当然，它的结构必定复杂得多，实现起来在技术和工程上难度非常大。 最近，有些科学家声称实现了室温核聚变，但没有得到广泛承认。如果真能实现室温核聚变，当然是一件莫大的好事，不过，不少科学家怀疑它究竟能否真正实现。 受控核聚变是人类面临的头号技术难题，美国，俄罗斯、日本和西欧各国准备加强国际合作，联合攻关，力争在下世纪初期，通过共同努力，建成世界第一个能持续运转的受控核聚变反应堆，把“人造太阳”的梦想最终变成现实！ 丰富多样的发电新技术 火力发电、水力发电已无人不知，风力发电和潮汐发电也已有所了解。近年来，科学家另辟蹊径研究和开发新型发电方法，知此者却寥寥无几。 让我们悄悄来到一个已建成的水坝上去挖个洞，让部分水流出来。——那会酿成水灾，是伤天害理的事情，我们不能做。 不是的！那是利用没有充分利用的余水来发电。这是开发水力发电的一个新招，但目前还用得不多，鲜为人知。 在日本静冈县，位于天龙川中游的秋叶水坝高89米，已有两个功率为3.5万千瓦的水电站。为进一步开发电力，人们在水坝高67米的地方，挖了一个直径6.5米、长21米的洞。水洞从1988年12月开始挖掘，仅20天就顺利贯通。从这个洞泻下的水，最大流量最每秒钟达到116立方米，水流驱动设在20米高处的发电机水轮，从而建成功率为4.7万千瓦的第一个余水发电站。当然，并不是所有的水坝都能这么挖洞，必须经过周密的计算。 再让我们悄悄爬到城市的下水道去——去做贼吗？ 也不是的，而是去利用污水。日本科学家发明了一种使污水沉积物固体化的方法。据称，这种固体沉积物每千克具有1750万焦耳的发热量，相当于低质煤的发热量。利用它发电，既可节约能源，又可保护环境，真是一举两得。 科学家预计，如果一座中等城市的污水得到充分利用，就可满足10％住户取暖和制冷的需要。日本打算利用城市地下水道的污水沉淀物作为能源，建造一座世界上独一无二的发电站。 家庭照明、冰箱和电视机使用的电是交流电，而手电筒用的干电池是直流电。所谓交流电是电流大小和方向随时间变化，而直流电的电流方向不随时间变化。 有一些特殊材料，如酞酸钡等，它们在直流电场作用下，会有气体附着材料表面，从而使电流不能正常流通。科学家把这种现象叫极化。奇怪的是，这种材料极化后，再去掉直流电场，极化现象并不消失，相反却十分稳定地保持着，只有在炸药爆炸产生的压力和温度作用下，极化才消失，而在这时，藏在这种材料内部的能量才以电能的形式释放出来。 科学家认为，采取这种能量转换方式形成的新型能源，可以用来引爆炸药，产生激光，加速带电粒子和供电。 让我们再大摇大摆地走到火力发电机厂，毫无顾忌地把金属钾扔到锅炉中去——这不是犯罪吗？ 不是的。用金属钾代替水作能源发电，这是一种发电的新技术。金属钾具有一种特性，它由液态变为气体时，它的最高温度可达到水蒸气的1.5倍。 用金属钾代替水发电的过程是，先把液态金属钾送入锅炉，加热成气体，带动汽轮发电机发电，然后进入热交换器。在热交换器里，金属钾气体再冷凝成液态。试验表明，与通常的火力发电相比，它有明显的优点：首先它的发电效率提高了50％；其次是燃料消耗减少25％；此外在发电过程中，灰粉、硫磺等有害废物的排出量也相应减少25％，从而大大降低了环境污染。 雪能发电吗 你知道吗？，雪花不仅形态迷人，而且还蕴藏着巨大的能量，可以用来发电。煤、石油等燃烧释放的是热能，雪不能燃烧，同样能放出能量，但不是热能，而是“冷能”。生活中的制冷设备如冰箱等，在制冷时要消耗大量电能。如果用雪花来制冷，不就可以节省许多电能吗？ 实际上，我们的祖先早在利用冰能了。在清朝，专门有官员负责在冬季收集冰块，贮藏在地窖里，到夏季把冰块发给皇亲贵族使用。在现代，美国科学家曾把冬天保存的500吨雪，在炎热的夏天用作高楼的空调能源。日本科学家设想在炎热夏天，用融化的雪水通过管道，对大楼降温。日本的一个农业试验场，把雪堆在贮藏蔬菜、谷物的库房周围，使库房温度保持在O℃左右，蔬菜、谷物在没有制冷设备的库房里，完好保存了几个月。 目前，积雪发电已获得成功，利用积雪温差发电的独特设备也设计制造出来了。积雪发电的工作原理是这样； 把一个蒸发器放在地面上，蒸发器里面放的是沸点低的液体化学物质，比如氟、氨等液体。再把一个凝缩器放在高山上。凝缩器里放的是雪。两个器具之间用管道连接在一起，并把管内空气抽出。然后，用地下热水和工厂里的余热，使沸点很低的氟、氨等液体变成气体通过管道冲击汽轮机，带动发电机发电。通过汽轮机的氟、氨气体，再经过凝缩，在雪的冷却作用下，重新变成液体贮存在蓄水器里，通过泵送回蒸发器，循环使用，不断发电。 新型燃料 1988年、我国生产的一种固体燃料，是用工业下脚料锯末、秸秆、酒渣等做原料，先把它们烧成木炭状，然后加入一些叫做六亚甲基四胺的化学物质制成的。这种燃料用火柴一点就着，因此，被称为易燃燃料。它燃烧时放出的热量大，而且无烟、无味、烧后只留下少量的灰。这种燃料很受用户欢迎，现已远销美国。 人造燃料是用化学合成方法生产的燃料，把化学物质六亚甲基四胺和液氨压制成块状的固体燃料，是人造燃料中的优质产品。它在燃烧时产生的热量比烧煤高出1倍，火焰温度达到300摄氏度。它不像烧煤时会有烟灰、烧后会有灰渣，燃烧时也不放出有毒气体，所以，被家庭主妇们称赞为清洁、高效的燃料，非常欢迎。 你听说过有一种汽车，只需要水，而不需要汽油吗？英国发明家佛朗克司·柯尼正在做这方面试验。汽车都有水箱，在水箱里的水面下，放上一个旋转的鼓，当然，这种鼓不是用皮制成的，而是用金属铝制成。然后，用一根铁丝伸向铝鼓，在铁丝与铝鼓之间加上18000伏的高压电能。在高压电作用下，水箱里的水开始分解成氧气和氢气，通过管道把氧气和氢气送到汽化器中，使它们混合，使发动机点火转动起来。 你听说过用尿代替汽油开汽车吗？美国电信专家克拉奇菲尔德在上厕所时，看见便桶有几滴尿在闪光，这激发了他的创造欲。他拿了一块布，用尿浸润，然后通上电。不一会儿，尿布释放出一种白色气体，这种气体会燃烧。这样，克拉奇菲尔德发现了人尿中含有可燃性气体。这下，一发不可收。克拉奇尔德动手研制一套收集尿中可燃气体的装置，用这个装置来煮饭、开汽车。4升“尿油”可使汽车行驶300～500千米。乘车外出旅游，就不必带汽油，只靠乘客的尿就满足汽车的需要了，克拉奇菲尔德预测，“尿油”不仅能开汽车，还能开飞机、开宇宙飞船，甚至可以发电。如果你也想激发创造欲，不妨勤于观察，大胆思索，不要放过任何蛛丝马迹。 你愿意少喝一杯可口可乐吗？因为，可口可乐可以代替汽油开汽车。英国科菲尔德博士，曾破天荒地做一个实验，证实了这点。他在一辆汽车的油箱里，灌满5升可口可乐饮料和一种特别配制的化学添加剂。结果，这辆汽车以每小时90千米的速度行驶在公路上，排出的废气比烧汽油减少30％。 燃料电池 意大利人伏打，在1789年做了一个实验。他用一种金属片接触青蛙腿，用另一种金属片接触青蛙的神经，当用导线把两片金属连接起来时，青蛙腿发出微微颤动。这个发现引起了伏打的兴趣。接着，他用自己的舌头作试验。他把一片锡箔放在自己的舌头上，并让锡箔跟一枚银币接触，舌头上立刻有电麻的感觉。后来，他找了许多不同的金属，如锌、锡、铅、铁、金、银等来做实验，使其中两种金属相互接触，结果，每接触一对金属，都能测出其中微弱的电流。 不久，伏打又把一组组铜片和锌片浸泡在一个个盛盐水的容器里，再用导线把它们连接起来，这佯，伏打终于发明了一种能产生电流的装置—伏打电池。今天我们用的干电池，它的工作原理就来自最原始的伏打电池。 燃料电池是干电池家属中的一员，最早出现在100多年前，当时，没有引起人们的注意。在本世纪60年代执行阿波罗登月计划时，“阿波罗”号宇宙飞船上使用了燃料电池，才使得它崭露头角，引起人们的重视。 电筒里、收音机里使用的干电池，外壳是负极，中间的碳芯是正极。长期不用，干电池外壳会渗出一种溶液，这是电解液，就灯比是伏打实验时用的盐水。燃料电池也有正、负电极和电解液，只不过多了氧化剂和燃料。 燃料电池的发电原理与干电池一样，所不同的只是，干电池的燃料装在电池内部，当燃料用完以后，电池就不能继续供电，需换新的电池使用；而燃料电池的燃料是贮存在电池之外的，只要燃料和氧化剂连续输入电池中，燃料电池就可源源不断地发电，燃料电池也就由此而得名。 由于使用的燃料和氧化剂有许多种，所以，燃料电池的种类很多：有氢——氧燃料电地，“阿波罗号”宇宙飞船上使用的就是这种燃料电地；有金属氢化物——空气燃料电池；有甲醇——氧燃料电池；有水——钠燃料电池。水——钠燃料电池是很先进的燃料电池，它由钠和水做燃料，钠是碱性金属，它同水——起会发生猛烈的化学反应，放出大量的热。水——钠燃料电池的副产品是氢，它是人们正在开发的新能源。使用水——钠燃料电池，不需要使用输电线，只要用汽车或火年把钠送给用户就可以，使用非常方便。 除了水——钠燃料电池之外，人们正在研究更先进的方法，直接利用天然气或人造煤气做原料的燃料电池，以海水为原料的燃料电池也在研制中。 燃料电池的优点很多，主要是在工作时没有噪音，不会产生有害气体，效率高。现代化燃料电池实际上是座无污染、无噪音的发电厂，发电容量可有10万千瓦，效率比小型电厂高1～3倍，能保证一个家庭、一家工厂，甚至整个居民点的用电。 冰也能燃烧吗 冰在夏天是少年朋友最喜欢的消暑钦料，怎么也能成为燃料呢？因为，此种“冰”非那种冰。我们所说的“冰”，不是由水凝结而成的自然冰，而是由天然气——甲烷的水溶液凝结而成的。它蕴藏在海岸深处的地层中，外表和特征都与自然冰相似，但是它能直接燃烧。所以，科学家把它称为“可燃冰”、“透明煤”。可燃冰是怎么来的？它是高压、低温的产物。海洋深处的压力究竟有多大？让我们先来看一个故事。 1963年4月10日，当时美国海军中最先进最复杂的攻击型核潜艇“长尾鲨”号，在水中试验下潜深度。当下潜到240多米时，艇体发出一种尖细的叫声，叫声混杂在各种声音里，并没有引起人们的注意。战士们都沉醉在兴奋和激动中，因为这个深度是海军以前从未到达的深度，他们正在走前人从没走过的路。到了300多米时，刺耳的尖细叫声更加频紧急促，“砰！”潜艇的辅机舱突然传来巨大的金属爆破声。巨大的深水压力把海水汽化成浓密的雾弥盖了辅机舱。不久，核反应堆停止工作，潜艇主机停车。艇长采取了一系列应急措施都无济于事，潜艇继续下沉。接着，机舱传来惊天动地的巨响，1500吨海水冲进受伤的潜艇。艇内通常约每平方厘米1千克的空气压力，急剧上升到至少每平方厘米56千克，那些没有被水流冲杀的战士，顷刻间被高压空气压死了。巨大的水下压力使“长尾鲨号”核潜艇从此消失了，129名艇员全部丧生。这一水下大悲剧惊动了美国朝野，传遍全球。 在海洋中，海洋的动物和微生物遗骸不断沉积在海底，会分解出一种甲烷气体。由于洋底的温度低而水压力非常高，所以，大部分甲烷气体不是逃逸到水面，而是被压力压到沉积岩细微的孔隙内转化为水合物。这些充满水合物结晶体的沉积物，随着时间的推移，被新的沉积物覆盖。这时，水合物开始分解，气泡冲破冰的封锁，沿着弯弯曲曲的缝隙和孔隙向上运动，重又进入上面的水合物形成区……这样，在数百万年的漫长岁月里周而复始，形成了固体化合物——冰矿矿床。 地球上冰矿的蕴藏量十分惊人。美国和加拿大沿海地区蕴藏量估计达数百亿立方米，可供开采几百年。在俄罗斯的里海、黑海和鄂霍次克海也取出了含可燃冰矿的岩芯。新西兰、印度、日本等国都有可燃冰矿存在。 只是目前世界上还没有开采冰矿的经验和技术。人们正在研究开采方法。可以预料，随着科学技术的进一步发展，不远的将来，这一难题会得到解决。到那时，人类就可以用冰做饭、取暖、炼钢、发电。 |
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