发展新能源的当务之急

发展新能源的当务之急

随着世界人口的增多，及人们对生活水平要求的不断提高，到20世纪70年代，自然界现有的能源已不再能满足人们的需求，因此开发新能源和发展节能技术势在必行。这些技术中除核反应堆已经进入实用阶段，其他都比较年轻。例如，太阳能、深层地热和氢能等还存在各种各样的问题。一些过去进展缓慢的领域，如煤的气化和液化，重新成为研究的重点。从目前的情况看，在很大程度上制约这些技术进一步突破的关键是“材料”，目前使用的材料大多不能满足苛刻的工作环境要求，因此开发新材料已成为发展新能源的当务之急。

1957年，世界上第一座核电站开始运转，到1990年其发电量占总电量的10%。其间经历了三次反应堆的变化，分别为：重水堆、石墨气冷堆和轻水堆；高温气冷堆；快中子增殖堆。而所用的材料一代比一代要求严格。

核反应堆材料涉及核燃料、中子减速材料、中子反射材料、屏蔽材料和结构材料等，要求都很严格。对于高速增殖反应堆来说，未解决的问题更多。例如，装铀材料的细管使用有钼—316的不锈钢制造，它遭受大量中子辐射，并与高化学活性的钠接触，环境极端恶劣，其寿命期使人担心。今后十年左右，初期建造的反应堆已面临分解处理复杂等问题，如何延长未来反应堆的寿命，是一项重点研究课题。1979年，美国三里岛核电站发生事故，舆论哗然。最后调查表明，是由于控制人员操纵错误而使含放射性的冷却水泄漏，与材料无直接关系，才平息了人们的议论。反之，如果材料上出现漏洞，核反应堆会被取缔。

太阳能利用是一项正在发展中的技术。日本已在春川县建成一座1000千瓦的实验发电装置。太阳能是一种稀薄的能源，每平方米最多为1千瓦，而按目前太阳能装置的转换效率（约为10%），则只能获得0．1千瓦。唯一可行的办法是改进材料，提高反射镜的反射效率和集热效率。现在太阳能电池的转换效率有所提高，为约13%左右，但硅、镓半导体的价格很高，很难大规模使用。此外太阳能电站多位于沙漠和偏僻地区，输电材料也待改进。由此可见，太阳能的利用是否能够普及，有赖于材料科学家的努力。

地热发电始于意大利，至今已有一个多世纪的历史。今天地热电站的已遍及新西兰、美国、日本和菲律宾等国。地热发电站的关键问题是耐腐蚀材料和高效率的热交换器。一般热发电站利用的热源温度在100℃以下，要通过低沸点的工质（如氟利昂）蒸汽才能带动汽轮机工作。近年来，美国在新墨西哥州芬顿山开凿深井，利用热干岩的热量发电，引起了人们的注意。

热干岩发电工程分为两期，第一期1978年完成，由注水井和采热井组成的竖井对深度为3000米、底部有一块有效直径约60米的人工破碎岩石区，有效传热面积约8000平方米，当注入冷水后，可以采出温度200℃的热水，相当于每天4500千瓦的热能。

随后又开始规模更大的第二期计划，将井深由3000米增加到4000米。经过多次人工破碎作业，使总传热面积扩大到100万～200万平方米，井底水温相应提高到250℃～275℃，这样竖井对提供的热量达到2万～5万千瓦。竖井穿过层层的花岗岩达到了6000米的深度，注水井弯入采热井的底部，中间为相距330米高的人工破碎区。即使估计低一些，水温为160℃，所采的热量仍足以带动一台50000千瓦的发电机组，而发电余热还可供温室和取暖使用。

地下热水中经常含有硫酸钾、硫化氢等硫腐蚀物质，温度越高腐蚀越严重。竖井的使用寿命估计为25年，但目前的耐硫化钢可能维持不了如此长的使用期，这样将给维修带来很大的困难。现在正在发展更好的耐硫化钢和寻找代用材料，可能陶瓷涂层有助于延长寿命。

氢作为一种新型能源也引起了人们重视。氢是一种无色、无嗅的可燃性气体，因此可做燃料使用。氢气一般用高压钢瓶储存，即使加压到150个大气压，所装氢气重量还不到钢瓶重量的1%，显然这种方法不适于工业上和生活上大量用氢的场合。

近年来普遍认为液氢是一种更理想的燃料，将氢气经140个大气压压缩，同时用液氨或液态空气冷却，即可获得液氢。液氢是一种清洁的燃料，它的燃烧过程只产生水蒸汽及少量氧化氮，不会污染环境。航天飞机的主发动机使用的燃料为液氧和液氢，以液氢为燃料的汽车和飞机正在设计中。液氢使用中最大的问题是运输和储存，液氢必须储存在与空气隔绝的高压容器内，加上它的沸点在常压下为－253℃，许多金属在这样低的温度下都会发生脆化，所以必须采用超低温钢制造。同时为了隔热保冷，储箱外面还须包覆一层聚苯撑氧泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料或玻璃纤维套等，比普遍用的油箱复杂得多。

现在有一种新的储氢方法，就是利用某些合金与氢反应吸收大量氢气，吸氢量高达体积的数十倍或上千倍，而加热以后又很容易使氢气再释放出来，这些合金为钛合金、镧镍合金和镁镍合金等，所形成的金属氢化物是固体，因此储存时不需要高压和低温。这些合金材料对于氢的利用将起到重要的作用。