全球环境问题及其对策，本文主要内容关键词为：对策论文,环境问题论文,全球论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 前言
现代社会最基本、最显著、最直接的特点是有控制地生产及消耗大量的能量和有计划地实施能源利用中的环境保护。本世纪的前3／4的时间里，世界已从以农业为基础的社会进入了以工业为基础的社会，而不断增长的能源需求已使得 以化石燃料为主的能源结构呈现资源匮乏、能源危机日益突出的局面；更为严重的是，不断增大的使用化石燃料的趋势已在不断加剧着全球的污染，如酸雨、臭氧空洞等。多年来，人们一直在展望并探寻着工业上的突破以一劳永逸地解决人类面临的这一难题，为世界文明的繁荣创造必要条件和充分条件。
2 世界范围内的能源结构
据专家们估计，地球上的四种基本能源即煤、石油、天然气和铀的总储量约为80Q（Q＝10[21]焦耳）。目前已探明的石油储量将于2020年开采完；工业发达国家的天然气将于2020年被用尽，发展中国家在2060年也将出现天然气短缺问题；作为核电站燃料的铀资源，至迟也将于2030年告罄；在全世界的能量需求中占将近90%的煤尽管在美国和世界其它地方因储量较多可供长时间开采，但到2200年也几乎用尽，因而虽然煤炭还尚可维持三四代人的时间，但这种燃料较其它化石燃料更具有加速环境污染的劣势。从核扩散的角度看，以铀裂变为特征的核能利用又对整个人类构成了致命的威胁。所以实际上近几十年来，人们在探索新的石油和天然气储藏的同时，又在更积极地开发利用现有能源及风能、生物能、氢能、太阳能等新型能源，并取得了许多可喜的科研和应用成果。这些新能源以及开发、利用能源的新技术将会相继登上能源领域建设的舞台，为人类社会的发展作出应有的贡献。
但是，所有这些新能源的开发并非都是十分乐观的。专家们预测到21世纪中叶，世界石油资源可能枯竭，而煤炭的大量使用又受到生产环境制约，因而核能在各种能源中的比重增长将是最快的。联合国原子能机构总干事长布利克斯指出，温室效应以及核电站设计技术出现的重大进步，将带来核能发展的第二个春天。目前，国际社会已广泛接受了“解决能源问题的根本出路在于利用核能”这一科学结论。因而，从整个世界能源领域的预测来看，人们所选择的最佳替代能源是核能。
3 全球环境及其污染
能源的短缺及其供应前景的黯淡的确成为了重大的国际问题，这使得人类要携起手来共同解决迫在眉睫的困难；另一方面，现有能源生产与利用对世界环境的冲击已对人类及动植物的生存构成了严峻的威胁；而核裂变电站的出现又加强了这种威胁。近年来不可争辩的研究结果表明，来自化石燃料生产与利用过程中的排放性污染和核裂变电站的放射性污染是导致人类面临的自然环境和社会环境恶化的直接根源，前者包括臭氧层变薄、酸雨、温室效应，后者包括核泄漏、生态失衡等。
对人类生活的自然环境的影响，是以化石燃料为主的能源结构必须更新的一有力证明。臭氧层可吸收来自太阳照射给地球的过多的紫外线从而保证其无危害的平衡水平。化石燃料带来的氯氟烃化合物导致了平流大气层中臭氧层的变薄及地球两极上空臭氧空洞的出现。从1957年到1985年的研究表明，南极上空的臭氧空洞已使入射到地表的紫外线量增加了几十个百分点。这种量级水平的变化已使毁坏植物生命、诱发皮肤癌成为了可能。所幸的是这种变化目前仍仅发展于高纬区，对绝大多动植物的危害还很弱。
此外，许多已知的煤和石油种类中含有大量的硫，约占几个百分点。燃烧这些含硫燃料过程中，硫与氧结合成为二氧化硫，然后通过烟气排放到大气中。二氧化硫与大气中水蒸气反应生成对动物和植物生命有害的酸，形成酸雨进入地表，从而产生了严重的后果。首先，许多河、洋中的野生鱼种对它们赖以生存的水的酸度极其敏感。当pH值低于5.6时，鱼就不能生存了。其次，酸雨酸化了土壤，从而不但都妨碍了诸如松树这类适应力最强的树木的生长，还使土地质量下降，影响并大大降低农作物产量。因而，酸雨问题已成为国际会议及各国官方政府、民间团体常涉及的主题之一。
温室效应是自然环境受到破坏的另一有力证据。研究表明，温室效应不仅使降雨量下降，还会由于冰川溶化使海平面上升，以及加速植物死亡等，从而出现土地沙漠化、沿海发达地区淹没及绿化带消失等严重问题。引起温室效应的主要罪魁祸首是使用化石燃料后排放的CO[，2]，当然还包括甲烷、氧化亚氮、氯氟化物、臭氧等。夏威夷的Maunaloa观测台的结果显示，从1958—1976年近20年里，大气中CO[，2]含量几乎线性增长，从约315ppm达到了约332ppm；外推法估算，1995年大气中CO[，2]含量为352ppm，2000年为357ppm。而工业革命以前的1800年，大气中CO[，2]的本底含量大约是290ppm。因而，温室效应将会越来越显著。尽管现在还缺乏能在定量上相一致的有效模型来描述CO[，2]的排放与全球气候温升的直接关系，以及根据各种模型推测出的到2100年温室效应可能使地表平均温度上升3.5℃的可能性还有更多的争论，其焦点是对在100年左右之后世界上沿海大都市诸如旧金山、洛杉矶、纽约、上海、伦敦等将沉浸在海洋中表示怀疑，但从4000—8000年前的地球温度与当时的生态环境与现代的地球温度与生态环境的变迁来对照、分析，温度变化对全球的生态系统能产生决定性影响并非是耸人听闻的确凿事实。
对人类生活的社会环境的影响是以化石燃料为主的能源结构必须更新的又一有力证明。随着工业的发展，各国的环境污染也随时代的不同而变化。从18世纪末到20世纪中，主要污染物是燃煤引起的“煤烟型”产物，主要有烟尘、SO[，2]等。在20世纪50—60年代，汽车数量的倍增使石油消耗剧增，发展成为所谓的“石油型”污染，成分主要包括SO[，2]、NO[，2]、CO、HC等，并且造成了广域的复合污染。闻名世界的英国伦敦烟雾、日本四日气喘病、美国洛杉矶烟雾等一系列人类生活的社会环境的污染典型事件，皆发生于这一年代中。70年代后，各国政府被迫重视了污染的治理工作，使得排放的SO[，2]、CO浓度不断下降，但是机动车的普及使得NO[，2]、HC和光化学烟雾等的污染仍很严重，且由于近年来煤炭在一次能源中所占比重又有所回升，烟尘、SO[，2]等的控制问题又重新引起了人们的注意。大气中微粒（小于3μm的尘粒）的数量一直在不断增加，成为日益严重的国际污染问题。
核技术的确成为了人类在经历着能源危机和环境污染中所探寻到的一种新方法。20世纪30年代到50年代，继完成了核裂变、原子反应堆研究后，人类又成功地爆炸了原子弹，并建成了原子能电站。目前世界上已有400多座重原子核裂变电站在运行。这些原子能电站发出的电几乎占目前核能利用能源的100%。这种核电站主要依靠铀235或钚239核燃料。但到本世纪末，除藏量有限外，仍存在环境的放射污染和人身安全问题。就美国来说，核裂变的未来前景一直不乐观。由于一系列反应堆研制方未解决其长期可靠性和材料问题，这种技术对电力业的吸引力不大。而且，裂变堆芯中活性放射性填料对人的危害的发现更增加了美国公众对它的怀疑。其它能源生产方式特别是煤的严重职业性危害和相对频繁的人身事故几乎全部局限于生产地，而裂变反应堆的潜在危害则是对一般公共地区的居民；此外，1986年前苏联切尔诺贝利核事故中由损坏的裂变动力工厂反应堆中泄露出的放射性裂变产物散布到几个国家，从而使利害关系更加强化了。因此，核裂变动力逐渐被看作是能源的最差选择。克莱兹河增殖堆计划的停止，10年内近30座计划好的核裂变动力工厂被取消，使得人们把解决能源及环境问题的眼光不得不停留在新型核能源上。
对我国来说，很多人认为我国正在开发的秦山核电站或大亚湾核电站可以解决能源问题。实际上我国是个贫铀国。今日已知的铀235燃料资源只够1500万千瓦的电站用30年，折算成煤的当量仅为5亿吨左右，因此，如果只烧铀235还抵不了当今一年的煤耗量。1995年刚刚建设成的大亚湾快中子反应堆完全不同于秦山的热中子反应堆，将可以燃烧铀238，同时还可以增殖钚239供热中子反应堆使用，这样就可以使我国的铀资源增加上百倍，可缓解能源紧迫性。但这与成倍增长的能源消耗相比，仍不能长期解决我国能源短缺问题，更勿需再进一步谈及环境保护问题了。
由上述可见，核裂变能虽是人类所寻求到的解决能源危机的办法，但仍面临着环境污染的问题及储量有限的问题。所以，人类仍将在很长时间内不能摆脱化石燃料的使用，从而不可能根本解决它们带来的危害。那么，科学的进步就使得人类永远生存于这种资源恐惧与污染蹂躏中了吗？回答是否定的。
4 等离子体工业的崛起及其意义
由于前述所及的核裂变能资源及污染二大方面的缺陷，使人们转向对新兴产业——等离子体工业中高温等离子体核聚变技术的研究、开发与利用。采用该技术，用中子n轰击锂或其同位素而获得氚T，T再与氘D聚合；或者，直接用D或质子p与聚合可释放出巨大能量。这样，以D和Li为原料的聚变反应就不再存在资源的问题了。
lkg水中含有0.03克氘，地球上有10[21]kg水，大约含有10[17]kg氘，如全部用于核聚变，可产生10[32]的能量，这等效于可供人类使用10[10]年。锂在盐湖、海洋、地质矿床中的储量多于2600亿吨，可用10[8]—10[9]年。这样，对于核聚变反应能源来说，其原料很丰富。此外，从另一角度看，两个轻元素原子核聚合成更重的原子核时不仅比重元素如铀235等核裂变放出的库仑能大，而且不会产生裂变碎片等放射性污染很严重的核废物，因而核聚变能源还具有着十分清洁的绝对优势。
可以看出，为了彻底解决能源与环境问题，人类进行了各种途径的积极探索。总体来说，等离子体核聚变能源无污染、资源充足、安全即无放射性副产品几大优势决定其在人类社会发展中的重要地位。真正驾驭利用聚变能虽然不可能近在眼前，但也绝非是遥遥无期。可以说，威力无穷的核聚变能的开发研究已从“婴儿期”发展到了“少年期”。40多年来，核聚变的研究道路上的确充满着许多困难和挫折，但确实是在不停地前进。科学家们认为，2000年左右可望建成第一座热核电站，21世纪可望实现等离子体核聚变能的大规模生产应用。
在达到利用丰富的、清洁的等离子体核聚变能之前，等离子体工业还为人类提供了提高现有能源利用率、降低甚至消除环境污染和开发新型能源的切实有效的途径。
热等离子体工程中的磁流体发电是将热能转变成电能的一种发电方式。这种发电的优势在于：（1）效率高：目前火力发电的效率为30%—40%，而磁流体发电用过的气体还有接近2000K的高温，所以与蒸汽涡轮机发电组合后可达60%，这无疑在能源效率方面具有诱人的前景。（2）污染小：无论是开环系统还是闭环系统，废气都很少，排入大气的更少，与火力发电相比，大大降低了环境污染。（3）起动迅速：在几秒钟内就可达到额定功率，因此可用作特殊应急能源，如风洞电源、激光电源等。鉴于以上优点，继美国AVCO（阿夫柯）公司1959年首次进行磁流体发电实验成功后，日、俄、英等工业化国家都先后开展了这项研究。而根据各国资源不同，研究的方向包括以天然气为主和直接燃煤为主二大方向。我国的中科院电工所一直跟踪国际水平积极开展着以燃煤为目标的磁流体发电研究，是国家863高科技项目之一。
冷等离子体工程中的一个重要领域是着重于环境保护的研究。静电除尘、脱硫脱硝、消毒杀菌、核废料处理是环保的四大难题，而应用冷等离子体技术可解决这些问题，其实质是由于利用了冷等离子体中活性强、能量高的电子的缘故。等离子体中电子通过各种方式吸附于粒子表面形成负粒子，在电场作用下移向收集壁，从而达到最佳为100%的除尘效果。工业用煤含硫率高，而烟气中SO[，2]、NO[，2]又是大气污染物中排放量最多、危害性最大的两种气体，因而高效、廉价的脱硫脱硝就十分必要。80年代后期形成的冷等离子体脱硫脱硝技术一开始就受到了广泛的重视。等离子体中高能电子碰撞中性粒子产生大量的活性基团，这些基团能促使SO[，2]、NO[，2]向液态的酸雾转化，而后脱离气流主体从而达到脱硫脱硝的目的。目前脱硫率可达97%以上，脱硝率不低于80%。另外，常规的高温高压法对液态食品如果汁、啤酒等进行消毒、灭菌，及医疗方面酒精消毒等，会造成饮料营养成分的破坏和接触式传染等问题。利用等离子体高能电子辐照技术不仅可避免这些缺陷，还具有时间短、成本低的优势。利用这种辐照技术在酿酒业上，可几百倍地甚至几千倍地缩短窖酒期。核废料一直是各有核国家的心腹之患。用深地掩埋、远地搁置方法不仅危害性大、成本高，而且势必为后代留下隐患，因而变废为宝是各国苦苦追求的目标。当冷等离子体发生器将高能电子流聚集在有毒废料上后，这些有害物质就会由于获得的电子能量而形成不稳定的物质，分解成低毒或无毒成分。尽管这一技术刚刚起步，美国麻省理工学院认为1995年可通过该工程系统的最后鉴定，且有可能采用热等离子体效果会更好些，但无疑该技术将对核废料处理产生巨大的作用。
除了上述优势之外，等离子体工业中的等离子体源工业化工程应用分支还对不依赖于化石燃料或核燃料的再生能源工业起着决定性的作用，这种可再生能源对于边远地区、落后地区与地外活动如宇航、空航都具有决定性的价值，其中首推利用太阳能的光伏工程。尽管成本较高，但太阳能的长久性、充足性、清洁性使其在一定程度上可与核聚变相比美，只是现代工业的投入允许量还不足以形成像核聚变能那样的大能量输出，尽管已取得了军事上或航天中利用太阳能的显著效果。必须提及的是，某些国家或地区已大量建设的太阳能蓄热类工程与我们关注的是迥然不同的两件事情，前者利用太阳能转变成热能由于效率低、受环境条件影响大且储能困难，只能在极小的时空范围内如必须是晴朗的白天、夏日、日照时数长的地区且水资源丰富地区才有一定效果，而后者指直接将光能转变成电能，从而才可方便地利用其经直流—交流转换，再馈至电网与目前电站匹配，从而成为火力发电之外的另一种能源来源。然而，光—伏转换元件的研制是十分困难的。而目前研究已经表明，应用等离子体粒子源已经批量地、低成本地研制出了高效率的光伏电池，成为人类科技发展的又一突破。尽管距离工业化工程的目标还比较漫长，但无疑为人类除高温等离子体核聚变能源之外又寻找到另一种有用的污染小的能源提供了可能。运用等离子体源技术，日本的京陶公司于1992年宣布研制出了效率为16.4%的多晶太阳电池，夏普公司研制成功20.4%的世界最高水平的单晶硅太阳电池；佳能公司宣布高速生产非晶硅太阳电池的生产成本降低到300—400日元／瓦。而按日本的阳光计划，至2000年的生产成本要求为100—200日元／瓦，可见从成本上看已接近商用指标。
综上所述，掘起的等离子体工业不仅正在而且必将成为当代乃至下一世纪的具有优先发展战略地位的高新技术产业，从而为人类彻底解决能源与环境问题奠定坚实的基础。世界各国都先后把等离子体工业提高到战略角度，并根据各国的特点着重于该工业的不同方向的发展。
5 世界形势及其发展
在针对环境污染及能源问题这一对全球性课题的广泛深入研究中，等离子体工业的发展已变得尤其重要且成为了关键性产业。忽然了它，人类不仅不能从资源短缺、污染严重的阴影中摆脱出来，而且对全球人类的前景展望也只能在沮丧的消极中徘徊。面对严峻的现实与挑战，人类必须开始觉醒并积极地寻求大力发展等离子体工业的途径与策略，来开发新能源、优化现有能源、改善生态环境，以求得人类社会的长期、健康发展。
作为解决能源与环境问题的主要产业——等离子体工业，其在工业化国家受到了很大重视。美国耗资14亿美元建造了等离子体热核聚变装置，并每年提供约1.1亿美元的聚变研究经费；而且，另已由美国能源部批准建造另一台造价为18亿美元的激光等离子体聚变大型装置，并还决定拨款2亿美元开发等离子体废料处理系统用于处理核废料及废工业溶剂。日本已于1994年12月召开了推进综合能源对策阁僚会议，制订使用新能源大纲，目的是改变对化石燃料的依赖体制，发展太阳光伏工程，即阳光计划，到2010年使太阳能发电量增加为现在的1200倍，另外还包括使废弃物发电量相当于现在的8倍，并普及清洁能源如电、天然气型机动车，使其所用能源量为目前的1080倍，等等。同时，日本还加强了磁流体发电的研究。法、德、加等国脱硫脱硝的研究进展处于世界前列。并且，着重于能源与环境方面的改善研究正在向国际化的趋势迈进，引人注目的是，由日、美、俄和欧共体联合进行的国际等离子体热核实验反应堆（ITER）设计据点，于1992年10月21日已在日本那珂町建立，俄、美、日等15国已决定从1995年开始在北极圈内开展大规模联合研究，探讨地球变暖和臭氧层受损机理等。在侧重于解决能源与环境方面的等离子体工业的发展，工业化国家处于世界领先水平。
中国是发展中国家，在发展解决环境与能源问题的等离子体工业的重点课题与项目方面，也必须走具有中国特色的、切实依据我国国情的发展道路。且不说在煤炭资源方面我国将面临几十亿吨的年缺口，且随着交通运输业的发展，我国对液态燃料的需求与石油供应间的差额也将达3—4亿吨／年，仅就这种以化石燃料为主的能源结构所带来的污染问题，就是刻不容缓的战略难题：目前全国每年排放的烟尘、粉尘量为约2800万吨，而到本世纪末，其中SO[，2]年排放量将超过1000万吨。就污染指标TSP国际标准衡量，几乎全国所有城市都超标。城市的烟雾以致使卫星拍摄的高清晰度照片上整座整座的城市什么也照不出来。
然而值得庆幸的是，国家已着手发展等离子体工业、重点解决能源与环境问题了，且已取得了一些成果。在能源方面，1984年8月，我国最大的受控核聚变实验装置中国环流器一号安装完毕；1985年经过物理调试获得了平衡稳定的等离子体，持续时间0.65秒，这已达到了世界上这类装置的国际水平，具备了参与国际聚变研究合作与竞争的条件。前不久，我国又研制成功了液态金属实验回路，成为世界上4个拥有这类装置的国家之一。此外，中国科学院等离子体所的超导托卡马克HF－7已通过了国际评估。在燃煤磁流体发电方面，国家继续投入1亿多人民币从事工程研究，并拟于山西筹建联合电站。此外，国家科委、科工委等还支持开展冷核聚变的研究。在环保方面，为降低污染而自制的工业用等离子体加热系统已于1994年9月1日在马钢等二钢厂热试成功；大连理工大学承担的八五攻关项目等离子体烟气脱硫技术研究于1994年底前通过国家中期评估；特别是以面向21世纪、面向经济建设的“中国东部资源环境与持续发展研究中心”于1994年12月6日成立、清华大学电力环保研究所的筹备以及第18届“人口·资源·环境”太平洋科学大会在中国的召开等等，都必然促进中国等离子体工业由萌芽状态开始不断进步、发展，为最终解决我国的能源与环境问题提供可能。
在能源方面，应充分认识我国经济基础薄弱的局面，改变以聚变等离子体工程研究为重点的战略，在保持现有规模与速度于某些前沿课题，密切跟踪国际发展趋势、深入开展基本物理过程研究的同时，不与国外在投资、商用发电方面争上下，而重点解决以煤为主的我国实际能源利用中效率不高的问题，即开发燃煤磁流体开环发电与涡轮机发电联合电站及太阳能光热、光电能源利用工程，也就是说，重点开发以低温等离子体技术（即热等离子体技术和冷等离子体技术）为核心的等离子体工业化工程项目，并特别注重关键等离子体技术的实验研究与应用研究，如热电转换效率和光电转换效率的研究。在环保方面，要切实根据我国等离子体源技术在脱硫脱硝领域取得的成果，从应用基础研究转入应用工程研究，并具体与对环保影响力强的发电厂结合，从事针对性的措施与方案论证。同时，扶持具有市场前景的高效率高密度等离子体源的开发，以达到更有效地治理大气污染、水污染。在降低和消除粉尘、SO[，2]、氮氧化物、机动车排气四大污染源的同时，利用等离子体源技术和低温等离子体技术的联合开发，使废气、废水、废渣资源化，变废为宝以综合利用。
所以，有必要建立以清华大学、大连理工大学、中科院等单位为中心的国内等离子体工程开发机构，研讨解决中国能源与环境问题的切实可行的方针、政策，并调整好二者之间的关系，以适应国际大环境的发展和达到国内具体的战略目标。与此同时，开展国际间协作与联合，学习并掌握国外先进的等离子体技术，为解决我国的能源与环境问题服务。可以说，只要我们脚踏实地地、有的放矢地认真研讨与正视我国实际，并按照自身特色发展等离子体工业，我国的环境污染问题是有望得到最终解决的。
收稿日期：1996-01-16
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