世界物理年與永續能源(2005/12)

世界物理年與永續能源

                               吳慶年

                                           成功大學物理系教授

                          台灣環境保護聯盟學術委員

2005/12 

             聯合國為慶祝1905年愛因斯坦發表震撼物理世界的多篇論文剛滿一百年，特訂今年為「世界物理年」。當京都議定書今年二月生效，且面臨油價飆高、傳統能源趨向枯竭之際，愛氏在兩篇與新能源息息相關的文章裡，所揭示的重要概念與影響值得我們回思玩味。


         在第一篇的特殊相對論，他導出嶄新的「質能轉換」之可能性（即有名的公式：Ｅ=ｍｃ2）。質量與能量可互換的顯著事例，除在宇宙中的湮滅及對生等高能現象外，就是重元素的核分裂及輕元素的核熔合。


         在第二篇的光波量子說，他提出電磁輻射在與物質作用時具有粒子性質（稱光子），而完美解釋了「光電效應」之機制。事實上光電效應有兩種：一種為光子進入金屬把自由電子打出其表面外，而在外加電壓下產生光電流的現象，稱「外部」光電轉換。另一種為光子入半導體內激發出導電的載子而產生光電動勢，稱「內部」光電轉換，即太陽電池。
茲將沿着歷史軌道，巡禮一番這些新能源百年來發展與愛氏角色，俾資人類追尋未來永續能源之南針。


核分裂能


          1938年德國化學家O.Hahn實驗發現用中子撞擊造成鈾的核分裂，這消息輾轉被傳至流亡在美國的愛氏，由他寫信影響羅斯福總統而成立的曼哈頓計畫下，1942年12月義裔物理學家費米（E.Fermi）在芝加哥大學建造了世界第一座可自續鏈鎖反應的核分裂「原子爐」。1945年8月（歐戰結束後），應用核分裂能的「原子彈」首次投下日本，目睹了慘局而震驚的愛氏非常後悔曾寫信給羅斯福，而發表了著名的羅素－愛因斯坦宣言，強烈譴責並主張嚴厲管制核武乃至廢核。筆者1981至83年間在芝大「費米研究所」作太陽能研究時，佇立費氏的肖像畫前，思念及他因長期曝露于核放射線而只活了53歲，嘆惜其英年早逝，並深深體認核輻射摧殘生命之可怕，成為筆者爾後投入反核運動的精神原動力。


         1955年，即愛氏逝世年，艾森豪總統的聯大「和平利用」演講推銷下，核能用於發電才迅速開展（全世界現有434機組運轉中）。核電除具大容量、少放二氧化碳外，事實上簡直像不定時炸彈—隨時會因人為疏失引發如車諾堡、東海村等嚴重核災，放射性廢料處置、關廠等艱鉅耗費的後端遺毒處理將長期危害後代，且因低熱效率致排放大量熱廢水入海，以加激全球異常氣象等。更有甚者，由于鈾鑛藏量也極有限，為貪圖核電應用的延長，必走上核燃料再生利用；於是美法俄日等核電大國都先後建造了危險的快速增殖爐（FBR），但都因鈉外洩火災等嚴重事故而現均停爐，只日本似還未死心。另外，日法等國試圖把用過燃料再處理後抽出的鈽，混合於鈾來燃燒（稱MOX），雖遭住民強烈反對，其蠻行前途仍堪憂。鈽為全球最毒的元素，且可輕易製成小型核武，有助長破壞核不擴散條約之懼。人道和平主義者愛氏若還在世，面對這些險惡發展，相信他一定會站出來反核，高呼早日脫離所有核分裂能的使用，以免人類與地球走向毀滅之路。


核熔合能


        太陽源源不竭的能量如何來之謎，直到1938年德國物理學家貝德（H.Bethe）提出在太陽核心部進行的「質子－質子循環」的機制始解開。這循環的淨過程為四個氫核（即質子）在約一千五百萬度高溫下熔合成一個氦核，放出兩個正電子及微中子；並由反應前後質量缺損轉換而產生巨能，供地球上萬物享用。


         氫核熔合能在地球上首次應用是1952年美國的氫彈試爆。鑒於其超大的威力，受控制的熱核熔合能便被認為人類未來的終極能源，爾來在美俄歐日等國大力進行研究。目前實驗的主流是把氫的同位素，氘及氚的電漿用磁場囚禁，並加熱至約一億度超高溫下熔合成氦，稱「氘-氚反應」，經過半世紀努力最近有些進展。1999年筆者曾去普林斯頓大學「電漿物理實驗所」訪問，其著名的環狀熔合試驗爐（TFTR）已獲不錯成果後結束，而新一代的國家球狀熔合實驗爐（NSTX）則剛完工，正開始實驗。當時被告知有一個「國際熱核熔合實驗爐」（ITER）的計畫，其達成點燃熔合所需指標值設定為當代最佳記錄值之六倍。由美俄歐日中韓六國組成的ITER之爐址在日法間激烈相爭很久，直到上（六）月二十八日始確定設於法國。據日方原規劃，總事業費1兆3千萬圓，預定今年動工， 2015年開始實驗，在約1億度高溫電漿中點燃氘-氚反應，將供給120 MW定常電力。隨著此計畫的展開，熱核熔合將進入一嶄新階段，重燃人們對此較清潔、安全的再生能源寄予厚望。


太陽光發電


        典型的太陽電池用矽晶半導體，但半導體內電子舉動比金屬內複雜，對其瞭解須待量子力學之出現。1924年法國的德布羅意從愛因斯坦的輻射「光子說」概念的逆向思考，提出「物質波說」，即電子在運動時也具波的性質；1926年奧國的薛丁格把此說發展出有名的量子波動方程式。應用此式則可正確描述具波、粒雙重性的電子與光子在半導體內舉動。


           1954年，即愛氏逝世前一年，美國貝爾研究所的Pearson等三位科學家發明最早的單晶矽太陽電池，具轉換效率6％，受媒體頗高評價；1958年即用在人造衛星，有助於太空時代的開幕。1973年石油危機後逐漸被應用於地面，如作僻地獨立型電源等。1990年前後德日美等國導入電網併聯及經費補助等制度，以鼓勵設置太陽電池系統於屋頂，太陽光發電（PV）才蓬勃發展起來。爾來太陽電池的世界年產量很快生長，如下表所示（其年均增加率從1990年以前10％，90年代20％增到2000年以後之37％）。由於各國加速研發及推動，太陽電池及模組的效率逐漸提高（最高分別達37及22％），成本也降低（最低達＄1.2/W）；全球PV累積裝置容量在2000年已突破1GW，且據日美預測未來將大幅增加，如2010年達9GW，2020年125GW，到2030年達920GW。

結語


        在核分裂能己到黃昏而核熔合能的曙光才初露的現在，想想最佳的未來能源是什麼？陽光發電的特色是，把長驅入射地表的陽光，用太陽電池板在中途攔截，不讓它被吸收再放出惱人的「熱」，並把其「光」直接轉換成有用的「電」，可謂一箭雙鵰，對遭受暖化威脅的地球具特殊意義。尤其地處亞熱帶，日射資源豐沛的台灣，陽電對炎熱夏期驟增的尖峰用電之抑制有極大助益；對98％能源依賴進口的我國而言，陽電實屬天降的本土自產能源。
    所以我國能源政策的最佳組合應是：（1）全國上下強力推行節能生活之外，（2）儘速發展以太陽能為根本來源的再生能源，尤以太陽光發電為主（夏季優勢）與風電為副（冬季優勢）；（3）利用再生能源的離峰電力把水電解取出氫，供給燃料電池作家庭及車輛電力用（未來還可直接用作引擎燃料），及（4）青黃不接期的較大電力則由低碳的天然氣發電來支撐渡過。


         回想1982年在芝大有幸與貝德教授見面談話中，這位1967年諾貝爾獎得主對筆者所說的一句話，〝在面對能源及環境雙重危機的未來，太陽能將是上帝賜給人類的最優美（most elegant）禮物〞，至今難忘。在愛因斯坦發現質能轉換一百周年的今年三月，貝氏以百歲高齡逝世；深感造化之奧妙，並謹祈他與愛氏在天之靈繼續看守並引導我們，以感恩的心把兩位巨人所揭秘的太陽能源有效運用、發揚光大，以促進人類與地球的和諧與永續發展。（原載於Taiwan News196期）