能源利用簡史

早期人類使用的是原始形態的可再生能源，太陽給人溫暖和熱，水和風給人以動力，水車和風車出現的較早。風是由于太陽照射到對流層的不均勻，例如云的作用，引起大氣的溫度、壓力的不均導致的。

除了光、風、水之外，人們經常使用的就是林、木、草，能源的形式是柴薪和木炭，木炭是木材經不完全燃燒熱解的產物，炭是薪燒出來的，延續了幾萬年，是那時人類的基礎燃料。也就有了白居易的“賣炭翁，伐薪燒炭南山中。”因此，當時人類依山林而居。太陽能主導的可再生能源是人類早期的主要能源，那時太陽上的核聚變就在為人類作貢獻了。但有些能源是地球的稟賦，如水能、地熱和一部分海洋能(如鹽差能)。

煤炭的發現和利用是人類能源史上的一次飛躍。煤比木柴熱值高，這是它的價值所在。且不說煤炭如何提高了人類的生產力，它首先結束了人類大量伐木的歷史，保護了林木，所以它的頭功是環保。有了煤炭，就有了煤礦，開始有了工業，比如說煤煉鐵，從而有了聚集人類的能源、工業，導致了城市的出現。然后有了蒸汽機，有了火車，實現了熱能變成動能這樣的轉換。煤炭時代，為近代工業煥發了生機，正像一位英國作家所說，“一些又小又破的村子轉眼變成了大城鎮，無休止的火焰、濃煙長期漂浮在城市的上空。”人們后來認識到煤炭清潔、高效利用的重要性。

老式蒸汽機車(圖片來源：veer圖庫)

之后有了石油，它被稱為工業的血液，中國在20世紀初有了第一口油田(延長油田)，新中國成立后有了克拉瑪依、大慶油田。石油和內燃機的結合成就了現代交通，成為性價比最高的燃料。然后有了天然氣，熱值更高，非常規天然氣(如頁巖氣、天然氣水合物等)的加盟，是新的亮點。

作家筆下對煤炭時代有這樣的描述：“有了煤，我們才有了光明，有了力量、動力、健康和文明，否則我們只有黑暗、貧窮和野蠻”。狄更斯也說過：“這是最好的時代，也是最壞的時代，是光明的時代，也是黑暗的時代，是希望的春季，也是悲傷的冬季。”總之，化石能源像雙刃劍，為人類作出貢獻的同時，也對生態環境和氣候變化產生了負面的影響，提出了如何高效、清潔利用化石能源的挑戰，甚至如何為低碳作出貢獻。從長遠看，化石能源的不可再生性是對它的根本制約。人類需早做準備，應對氣候變化已經成了全球性的戰略問題。

化石能源(煤、油、氣)的物理本源是什么呢?它們是由昨天的生物變成的，是昨天的動物和植物在地下經多年的化學、物理變化生成的，可以說是昨天的太陽能。被我們稱為太陽能的就是太陽上的核聚變反應產生的能量?？梢哉f，化石能源是太陽和地球合作的產物。

后來，人們發明了電。應該說電不是能源，而是能源存在的一種形式，這種形式的發現使能源如虎添翼，極大地改變了人類社會的經濟和生活。和早期人類不同，現代人對可再生能源的利用是用現代工業化的手段，如發電。而氫的利用，人們則往綠氫的方向努力。

太陽能、風能這些能源本身是可再生的，但是要通過發電利用它們，就需要相應的裝備，如太陽能電池、風機等，這些裝備需要材料，除基本材料外，還有一些礦物質。而這些材料并不是可再生的，所以要風電、光電可持續地被利用，就要做好對這些材料和礦物質的回收和循環利用，或材料學方面的發明、創新。

風力渦輪機(圖片來源：veer圖庫)

說到底，化石能源和多數可再生能源原本是一家。都與太陽能密切相關、與核聚變密切相關，可再生能源是比較直接地利用了太陽能，而化石能源則是經過較多的化學、物理變化成為供人們使用的能源，這個化學、物理過程提高了化石能源的熱值和集中度，但也增加了使用它的復雜性，如化石能源使用時產生多種排放，包括污染物和溫室氣體。

既然化石能源和可再生能源是一家，就應該完整準確地理解我國的能源資源稟賦，它不只是化石能源的“富煤缺油少氣”，還有豐富的可再生能源資源。我國已開發的可再生能源不到技術可開發資源量的十分之一。這樣的認識才能為我國能源安全和能源轉型奠定準確的基礎認知。

關于核聚變

下面說一下核聚變。太陽上的和地球上人們正在努力實現的“人造太陽”都是核聚變，但反應道有些差別。在受控熱核聚變(人造太陽)中，首先可能實現的是氘氚反應：

其中釋放中子(n)的能量是14.1 MeV。在更高的反應條件(溫度、壓力)下，才可能實現氘氘(D+D)反應[1]。

而太陽上的核聚變已經存在了幾十億年，現在還在發光、發熱。太陽能量的99%來自PP反應鏈(P代表質子)[2]，1%來自碳氮循環。PP反應鏈有多個反應道，例如：

其中ν代表中微子，核反應產生的能量Q=Q'(電磁輻射能)+Qν(中微子能量)=1.192 MeV+0.250 MeV。

為了維持太陽目前的光度，每秒鐘大約消耗5×1012g氫燃料，太陽的氫若全部燃燒，需時大約10^11年，遠遠超過太陽的年齡。

太空中的太陽(圖片來源：veer圖庫)

太陽上的核聚變為人類提供了能源。人們自然會問，太陽又是從何而來呢?這個充滿了原子核聚變反應的宏大的宇宙天體是怎么產生的呢?回答這個問題是核天體物理學的任務，它是核物理學和天體物理學交叉形成的前沿科學，萌芽于20世紀初。它的幾個里程碑式的進展是[3]：

(1)美國科學家漢斯·貝特在1938年指出：核反應為太陽提供了持續不斷的能量，他因此獲得了1967年的諾貝爾物理學獎;

(2)美籍俄裔物理學家喬治·伽莫夫在1948年提出了宇宙大爆炸模型，大爆炸過程產生了物質世界最基礎的元素——氫、氦、鋰;

(3)1957年，英國著名天文學家弗雷德·霍伊爾、伯比奇夫婦、美國物理學家威廉·福勒四人一起發表了著名論文《恒星中的元素合成》，威廉·福勒因在元素起源研究中的貢獻獲得1983年的諾貝爾物理學獎。

后來發現的宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸理論的證據。20世紀發射的哈勃望遠鏡、21世紀發射的開普勒號太空望遠鏡和韋布望遠鏡讓人們看到了宇宙早期的模樣。

所以，粗略地說，宇宙是大爆炸“炸”出來的，太陽也是“炸”出來的!實際上，人類對古老而神秘的宇宙的認識還非常有限，宇宙之源、太陽之源、能源之源還都在探索之中。

這篇短文，如果需要一個結語的話，最好是請意大利的男高音歌唱家帕瓦羅蒂高歌一首：

“呵，我的太陽!”