【工业】【能源】永远的未来技术

我高一那年，有一位清华的教授到台中来演讲，讲题是核融合（Nuclear Fusion，大陆叫核聚变）。当时Princeton university正在筹建西方的第一座大型Tokamak核融合反应器TFTR（Tokamak Fusion Test Reactor）。Tokamak原本是苏联的设计，亦即在一个环面形的容器内，靠高强度磁场来制约极高温的电浆（Plasma，大陆称为等离子体）；电浆内的氢同位素原子核在温度够高时，便能跨越电磁排斥力而融合成氦，并释放出大量的能量。那位教授不但把物理和工程的综合过程描述得极为生动引人，而且一再强调在30年内核融合电厰就必然会商业化，从而一举解决人类的能源需求问题。十五岁的小伙子很容易上当，尤其是当演讲人自己也相信那些鬼话的时候，所以我基于错误的讯息做了两个重大的人生决定：第一个是舍数学而做物理；第二个是舍台大而上清华。

当然，30年早已过去了，TFTR从1982年起到1997年运行了15年，根本就没有解决核融合电厰的真正技术难题，这个烫手山芋被丢给了下一代的International Tokamak Experimental Reactor（ITER，将于今年开始组装，预计2027年开始运作）。与30多年前相比，现在最乐观的核融合研究估计（只算诚实的）是还要至少50年才有可能实用化，也就是进度倒退了20年。以这个趋势来算，到50年后的2065年，进度会再倒退30年，所以届时搞核融合的主管应该会给出“再过80年”的估计了。这虽然是个笑话，却是很有可能会真正发生的，因为前面提到的“核融合电厰的真正技术难题”是怎様处理核融合產生的中子：人类至今所有的机械靠的都是电磁作用，而中子却是真正全电中性的，不像原子一様有带负电的电子包围带正电的核子，所以我们对中子的路径完全无法控制，唯一的选择是要不要遮挡它。目前所有的Tokamak设计靠的都是D+T=>He+n的反应，其中D是Deuterium（氘，多含一个中子的重氢），T是Tritium（氚，多含两个中子的超重氢），He是Helium（氦），而n是Neutron（中子）；因为这是唯一一个其所需温度没有超过人造磁场控制能力的反应。但是中子比氦轻四倍，所以它带出的动能也就多四倍，亦即核融合反应產生的80%能量是由中子带走。既然我们要发电，就必须在Tokamak外面吸收这些中子，那么Tokamak的内壁就必须对中子“透明”，所以负责维持真空的内壁再加上吸热的水管（產生磁场的线圈可以做在水管之外，但是仍将承受部分中子辐射）将在完全没有屏障的情形下，长期承受比核裂变反应器高出好几个数量级的中子轰击，其结果是这些物质必然会弱化而需要定期替换，但是在这个过程中它们也会得到放射性。也就是核裂变电厰只须要换燃料棒，而核融合电厰却须要定期把整个带有放射性的反应器拆掉重装；即使在技术上有可能做到，它的价格和风険都将远超人类所能承受的极限。所谓的ITER和现有的下一代设计都对这个问题束手无策，搞核融合的人的态度基本上是船到桥头自然直；可是这艘船在30年前就已经撞桥沉没，30年来拼命加大引擎，那么不但再度撞桥是必然的，其后果也只能更为惨烈。

法国和日本竞标ITER之后，法国出价最高而获胜，日本则得到一系列的安慰奖。地点选在法国东南部的乡下，但是距离渡假盛地French Riviera只有一步之遥。

既然核融合是未来的技术，而且永远都会是未来技术，那么要解决能源问题，就必须开发更先进的核裂变技术。我从十几年前就对高温气冷堆情有独锺，所以后来很高兴看到中共在这个项目上持续投资，到2012年已经正式在山东石岛湾核电站开建世界第一座商业化的高温气冷反应堆。不过今天我将专注在永远的未来技术上，所以以后有空再详谈这事。现在我只想指出，几年前南非还没有放弃高温气冷堆，西方的核电专家在列举它的优点时，经常会提到它的工作温度在摄氏1000度左右，刚好是对水进行电离分解效率最高的温度，所以在高温气冷堆发电站有热有电，最适合建设氢气厰，而用氢气来替代汽油、柴油、天然气和煤等等化石燃料的“氢气经济”（“Hydrogen Economy”）则是某些人心中解决能源供应、大气污染和全球暖化的一举多得方案。氢气燃烧之后只產生水，因此是完全零污染的。此外氢气不像化石燃料一様需要效率一般在40%左右的热机（Heat Engine），而可以通过燃料电池以极高的效率转化为电能。全球第一个根据这个构想而开始生產的商业化產品是Toyota的Mirai氢气动力车，2014年十一月在洛杉矶车展正式公开，同年十二月15日在日本开始销售，预计2015年只出產700辆，但是Toyota认为它会是下一代的技术主力，前途不可限量，所以还特别请了日本总理安倍晋三做代言人，对其重视的程度不言可喻。

Toyota的这个商业战略赌注，有很明显的脉络可循：Toyota在1995年的东京车展公开了世界第一辆商业化的混合动力车辆Prius，1997年开始正式销售，此后18年Prius不但占有全球混合动力车辆销售量的一半以上，对Toyota的品牌价值也有极大的贡献，帮助它一举超越VW和GM成为世界第一大汽车生產商。不过到现在每个稍有规模的全球性汽车公司都已经有了自己的混合动力技术，而Toyota却很明显的在近年减低了对这方面的投资，以致当所有的竞争对手都已採用更先进的锂电池，2015年的Prius基本型仍然在用镍氢电池。从Toyota的角度来看，混合动力车辆的技术已经成熟普及，市场也趋于饱和，与其杀价血战，不如早对手一步，另辟新战场。这个思路和Nintendo一様：在Wii那一代，Nintendo避开绘图马力的竞赛，靠着独创的遥控器走偏锋而战胜了更强大的对手们；几年之后，下一代的Wii U仍然是靠与眾不同的人机界面来吸引顾客。不过就如Nintendo的Wii U远不如Wii那么成功，Toyota的Mirai只怕也走上了歪路。

为什么我不看好氢气动力车呢？这主要是因为氢气经济不是一件新鲜事，一百年前就有一种交通工具大量使用氢气，只不过不是用来作燃料；我说的就是飞艇（Zeppelin）。后来这个氢气经济戛然而止，原因当然是1937年的兴登堡号大爆炸。做过化学实験的人或许记得，氢气是一种极易燃、极易爆的气体，汽油和天然气和它比起来，几乎像开水一様的稳定安全。飞艇用的氢气完全是由专业人员操作的，飞艇也没有出车祸的危険，结果还是不能解决安全问题。而鼓吹新氢气经济的人所想像的是把载着氢气筒的汽车交到16岁的毛头小伙子和90岁的老太太手里，让他们满街跑；与此同时，氢气管道必须从生產厰房一路埋到大街小巷的各个加油站。其结果必然是车祸衝撃到燃料箱就有剧烈爆炸，道路施工错挖管线就会连环气爆；哪个现代社会会愿意花大銭来换装一个使人口死亡率成倍增加的危険技术呢？燃料电池是个很有前途的新科技，但是它必须使用碳基燃料，例如甲醇（Methanol）或乙醇（Ethanol）；这有几个原因：1）它们远比氢气安全；2）它们可以从生物废料（Bio-waste）直接生產，而氢气必须靠电能来產生，全循环的效率低；3）它们的输送和储存都远比氢气便宜。所以虽然使用甲醇和乙醇的燃料电池技术还不成熟，最终必然还是它们才有可能（但不一定会）胜出。氢气经济又贵又危険，就如核融合发电一様，也只是永远的未来技术。