能源: 核能問鼎

時至今日, 全世界大約有440座核能發電廠, 佔全球總發電量的16%. 有些國家更已以核能為主要國家供電. 法國就是其中之一, 其國家有78%來自核能發電, 現在正以新電廠取代舊電廠. 在將來25年, 亞洲對核電發展, 只會更加蓬勃, 好似中國, 將計劃增大核電產能, 由6600萬瓦升到4萬個百萬瓦. 第二個人口大國, 印度, 更對核電情有觸鍾, 現在已有15個核電廠運作中, 未來還有8座即將落成, 已是世界之冠.

現今的核電技術, 分為兩類, 一類是核裂變技術, 一類是放射性同位素溫差技術. 放射性同位素溫差技術, 就是通過原子的衰變發熱, 熱能通過熱電效應, 即用熱電裝置, 令裝置產生溫差, 直接轉換成電力. 由於這種發電是從原子的衰弱變化, 所以會有時間性, 隨原子衰弱而滅少. 現今的衞星, 俄羅斯偏遠的燈塔, 人工心臟, 都是運用這技術.

現行核電廠所用的, 都是核裂變反應堆. 而裂變反應堆也分有多種. 最常用就是壓水式反應堆 (Pressurized Water Reactor, PWR), 其原理就是鈾原子在反應堆內進行裂變, 釋出大量熱能, 再引入海水或普通水冷卻, 產生蒸氣推動渦輪機發電. 香港大亞灣核電廠及台灣核三廠就是用壓水式反應堆發電的.

與壓水式反應堆相似, 也是常用的發電反應堆, 就是沸水反應堆 (Boiling Water Reactor, BWR). 其發電原理與壓水式一樣, 唯一不同是其水壓較低, 因此這些冷卻用的水溫度較高, 徘徊在攝氏285度左右. 而且這些水不斷循環冷卻, 所以有些水會帶有輻射, 清理較麻煩. 現在台灣一廠及二廠用的反應堆, 都是這類型.

第三種常見的設計, 為加拿大設計的重水反應堆 (Heavy-Water Reactor, HWR), 即是以重水為冷卻核燃料棒劑. 重水, 又叫氘化水, 其凝固點和沸點都比普通水高, 雖然其原子組成都和一般水一樣, 但提煉成本高. 不過, 重水有其好處, 就是能更有效計算利用的核燃料, 令鈾原素成本可以減低.

至於歐洲的設計, 主要有大部份建在英國的冷氣式反應堆 (Gas-Cooled Reactor, GCR) 及法國的液態金屬式快速增值反應堆 (Liquid Metal Fast Breed Reactor, LMFBR). 冷氣式反應堆以二氧化碳為冷卻劑, 並以石墨 (Graphite, 是一種礦物, 產於變質岩中, 當煤或含碳質岩石受變質作用或熔岩侵入作用變質形成.) 作為減速劑. 這類反應堆比壓水式反應堆溫度更大, 運用熱能效率更高, 壽命較長. 亦因為其運作壽命較長, 所以以舊換新的關閉成本較高.

至於法國的液態金屬式快速增值反應堆則用鉛或鈉為冷卻劑, 而不用減速劑運作. 其原理和壓水式反應堆相似, 其反應堆壓力不高, 但比較消耗核燃料. 鉛是一種隨性元素, 作為冷卻劑不易吸收輻射, 而且承受溫度很高, 是絕佳的冷卻材料. 可是本身鉛含有毒性, 而同時清理起來不容易. 世界上大多以鈉為冷卻劑, 因為較容易獲得, 還能防止侵蝕. 可是鈉遇水會產生爆炸, 應用技術要求較高.

最後一類的反應堆, 便是前蘇聯設計的石墨輕水型反應堆 (Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalniy, RBMK). 這類反應堆以水為冷卻劑並同時用石墨來做減速劑, 其設計與重水反應堆一樣能補充燃料. 輸出電力時, 會產出副產品元素鈽 (在自然界中, 並沒有天然的鈽, 必須要從核子反應埋中獲得. 這是個劇毒元素, 吸收少量足以致命, 所以用以製造原子彈, 其威力比鈾彈更大. ). 但這類反應堆體積太大, 而所需的技術更高, 反應埋並不穩定, 難以控制, 當年切爾諾貝爾核電廠 (Chernobyl Nuclear Power Plant) 用的便是石墨反應堆. 縱使現在受過改良, 但還是被認為是最危險的反應堆.

核能產業發展至今, 己有四十多年. 現今技術己發展到第四代反應堆, 其溫度可以更高, 運轉更有效率, 能從鈾中獲得更多電力, 報廢的核廢料將會更少, 安全性更高. 據統計, 未來二十多年, 全球用電量將增加一倍, 以現在單靠石油和煤來滿足電力需求, 所排放的二氧化碳讓地球難以承受. 因此, 全無溫室氣體排放的核能, 的確有替代石油和煤的潛力. 可是核能發展, 需要大量金錢及技術, 這些也不是所有國家也能承擔到的. 所以未來能源路向, 將不會是單一路線, 而是多元發展, 而核能必佔一席位.

能源: 武器中的能量

時值1938年12月, 德國科學家奧托．哈恩 (Otto Hahn, 1944年諾貝爾化學獎得主) 和其學生弗利茲．斯特拉斯曼 (Fritz Strassmann, 德文為Straßmann), 還有奧地利科學家莉莎．梅特勒 (Lise Meitner) 從一個以中子撞擊一個鈾 (Uranium, U, 原素週期表92號) 原子的實驗, 發現這撞擊產生原子核分裂, 釋出強大能量. 這是核能研究的先聲.

1939年, 二次大戰爆發, 德軍橫掃整個歐洲中. 為逃離納粹德軍的迫害, 愛恩斯坦 (Albert Einstein, 1921年諾貝爾物理學獎得主) 逃亡到美國, 並與當時的匈牙利裔美國核子物理學家李奧．西拉德 (Leo Szilard), 在8月2日聯署致函當時的美國總統, 小羅斯福 (Frankin. D Roosevelt, 美國第廿六任總統), 請求美國政府在核子武器在加大力度, 絕不能落後於德國, 並得到當時美國政府支持, 原子彈研究競賽就此展開.

1941年2月美國科學家葛蘭．西博格 (Glenn Seaborg)及其同僚發現了鈽 (Plutonium, Pu, 原素週期表94號). 鈽和鈾一樣有分裂性, 一樣能釋出巨大能量, 對美國在核武競賽中邁進一大步. 同年12月7日, 日本偷襲珍珠港, 令美國捲入二次大戰中. 1942年夏天, 匈牙利裔美國物理學家愛德華．泰勒 (Edward Teller, 匈牙利名Teller Ede) 發表了氫彈的概念, 其威力比原子彈強好幾倍. 同年9月被美國政府秘密的原子彈製造行動, 曼哈頓計劃, 的總監雷斯利．葛洛夫斯陸軍將軍 (Leslie Groves) 委任的科學總監, 物理學家羅伯特．奧本海默 (Robert Oppenheimer), 邀請入計劃之中.

直至1942年12月2日計劃主導者之一的恩里科．費米 (Enrico Fermi) 及其團隊在芝加哥大學體育館裡的壁球場內成功完成了第一座可控的反應爐. 到1944年美國開始有能力大量生產鈽及濃縮鈾235. 1945年7月16日美國在新墨西哥州成功引爆第一枚原子彈, 標誌著第一個成為擁有核武的國家. 同年8月6日及8月9日分別在日本的廣島及長崎, 投下了一枚15千噸的鈾彈及一枚21千噸的鈽彈, 兩天合共二十多萬人死亡, 令日本被迫投降.

縱使戰爭結束, 但並不代表原子彈研究已完結. 其他國家也加入了核武研究的行列, 好似1949年8月29日蘇聯在哈薩克試爆類似美國投在廣島的原子彈, 成為第二個擁有核武的國家. 1952年10月3日, 英國在澳洲試爆原子彈, 也成為擁有核武的國家之一. 接著還有中國, 法國及印度分別在1967年, 1968年及1974年也成為了核武國家.

從核子發展的過程可見, 核能一路走來都是用來作武器的血腥歷史, 曾有研究報告對核能未來發展相當悲觀, 直至1953年12月, 美國第34任總統德懷特．艾森豪 (Dwight Eisenhower) 為核能發表了<和平需要原子>的演說, 才令核能走向能源發展的方向.

正如奧本海默所說, 核武既是一大危險, 亦是一大的希望. 1954年6月27日, 當時蘇聯建設了第一個核電站. 而國際得到美國政府在核能研究上的資助, 令核能從武器轉到商業民用. 1956年, 第一個商業用的核電廠, 於英國重工業重鎮鍚菲爾 (Sheffield) 投產. 及後在美國賓夕法尼亞州投產的核電廠, 亦是商業營運的.

核電發展迅速, 從1960年代的1吉瓦 (即是10的9次方瓦特) 去到1970年代的100吉瓦, 到現在已升到366吉瓦 (2005年數據). 其增長迅速的原因, 除了人口不繼的增長, 對能源需求不斷增加外, 還有人們對石化燃料污染導致氣候變化的警覺, 開始接受污染較少的核能. 核能可說是替代石油和煤的新一代能源.

能源: 污染公約與利益角力

針對石油及煤造成的溫室氣體污染, 聯合國在1992年制定了<聯合國氣候變化綱要公約> (United Nations Framework Convention on Climate Change, 簡稱UNFCCC或FCCC), 並在該年5月通過. 6月邀請各國政府首腦, 於巴西里約熱內盧召開聯合國環境與發展會議, 並舉行公開簽署, 當時已有154國簽署該公約. 並依名字, UNFCCC, 成立秘書處, 並在德國的波恩設立辦事處.

另外, 聯合國成立為一個附屬機構以輔助UNFCCC秘書處, 名為政府間氣候變化專門委員會 (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC. 有譯政府間氣候變化專業委員會或跨政府氣候變化委員會). 成立於1988年, 由世界氣象組織 (World Meteorological Organization, WMO)及聯合國環境署 (United Nations Environment Programme)共同成立. 負責執行及發表和公約有關的報告, 還有為成員互相審查, 來撰寫科學評核報告.

該公約最終目的是將大氣中的溫室氣體濃度穩定在某一個水平內, 以防止氣候系統受到人為干擾, 使生態系統慢慢適應氣候變化, 保障糧食生產及供應, 最終達至經濟可持續發展這目標. 自1995年起, 簽署的締約方需要每年召開締約方會議 (Conferences of the Parties, COP), 以評估各國應對氣候變化的進展, 由政府間氣候變化專門委員會組織議和, 討論, 以達至共識.

政府間氣候變化專門委員會在1996年的估計, 若世界要把二氧化碳濃度減至工業革命前的兩倍, 即550ppm (Parts Per Million, 百萬分之一), 就要把現在全球排放量減至一半. 1997年12月於京都舉行的締約方會議制定了議定書, 規範締約國家, 主要是歐盟及其餘38個國家, 必須在2008年至2012年期間將締約國溫室氣體排放量減少至1990年的水平再減5.2%, 以應對全球氣候變化帶來的影響.

公約確立, 對地球上每一個人都有好處, 可是該公約並沒有法律約束力, 締約方並沒有具體的承擔限排的義務, 各國根本沒有認真執行. 這速成1997年12月於日本京都的會議, 在公約中加入附件形成具有法律約束力的共識. 這就是京都議定書. 當時有170多個同意這協議, 可是當去到簽署階段時, 三大勢力, 即美國, 歐盟及以中國為首的發展中國家, 有著巨大的分歧, 讓承繼將在2012年失效的京都議定書的新的協議書遲遲未能成事.

2008年, 政府間氣候變化專門委員會主席曾在公開場合呼籲各國盡快達成共識, 取代2012年到期的<京都議定書>. 可是溫室氣體排放國排第一的國家, 美國, 卻沒有簽署該議定書. 由於其國家蘊藏最多就是煤, 加上核電對人類傷害甚大, 到現在在美國本土使用核電也不能大行其道 (日後到核電篇章再詳細討論). 時至今日, 美國還是依賴煤來發電, 因此溫室氣體排放還是居高不下. 若要減排比1990年再少一些, 對於其經濟利益有傷害, 加上在公約中的條約, 又實實在在偏向發展中國家, 所以美國以發展中國家也應承擔責任為由, 拒絕簽定公約.

而另一方已發展國家的同共體, 歐盟, 其立場鮮明, 是主要公約的支持者. 致力於減少溫室氣體排放, 並且鼓勵其也國家加入簽署公約. 作為佔世界21%溫室氣體排放量的共同體, 建立了一套排放交易系統, 包括了能源, 鋼鐵, 水泥, 玻璃, 制磚和造紙, 六種行業的碳排放價格交易, 以達至各國都能達到公約的目標. 而隨著東歐各國陸續加入歐盟, 令1990年溫室氣體排放量這基數不斷增加, 對達到公約目標十分有利.

第三方陣營, 就是以中國為首的發展中國家, 包括非洲及東南亞等國家. 普遍發展中國家都認為, 已發展國家都是主要的溫室氣體排放國, 相比發展中國家的人民, 已發展國家的人民在人均排放溫室氣體和社會發展水平, 都是高的. 因此, 已發展國家理應承擔多些的責任. 再者, 對某些發展中國家的經濟及技術能力而言, 縱使有心履行公約內容, 也難以實現公約中的目標, 所以發展中國家希望已發展國家能提供資金及技術協助. 這正正是已發展國家不願意承擔別國減排責任的地方. 經過2008年金融風暴之後, 各已發展國家都有不同程度的傷害, 對於人力物力的協助, 更是冷淡.

本在公約中, 基於區分責任原則, 所有發展中國家都有豁免權. 可是, 中國及印度等的新興發展中國家, 其在全球溫室氣體排放上, 也是數一數二, 卻因為是發展中國家而不受限制, 這是美國拒絕簽署的原因. 這些國家不被納入京都議定書內, 亦難以控制溫室氣體排放. 三方就是在這背景下, 為自身利益, 互相博奕. 對於將來取代<京都議定書>的新公約締造, 可謂風雨飄搖.

台長讀書會分享

2月3日, 台長梁錦祥舉辦了一個讀書分享會, 題目為: 如何博覽群書. 作為台長網台的聽眾之一, 知道他見多識廣不在話下, 想不到的是, 除了練功夫, 做節目, 出席不同活動之餘, 還有時間閱讀, 這才耐人尋味. 因此, 一個小小的分享會, 也能號召到不少聽眾, 是日活動坐無虛席, 可見不只我一個人對台長這方面的好奇, 大家也想了解台長的閱讀心得, 從中得到啟示.

可是分享會一開始, 台長就破了題, 說人不可能博覽群書. 他指出博覽群書, 並不能解決所有問題. 就算有人能博覽群書, 也生活潦倒, 不見得富有. 這主題, 只是商業性質, 用以吸引我們到來. 他透露我們要做的, 是以我們已有的知識, 構建一個知識網絡. 換句話說, 就是不同的知識之間, 不論是天文, 地理, 歷史, 文學, 甚至是神秘學, 都是有關聯的. 他以其節目為例, 以當時的歷史背景為切入點, 道出牛頓力學的由來, 把算式背後故事娓娓道來, 令趣味性提升.

回想升中五時, 學校要我們選擇文科, 商科或理科, 就是硬生生將各種知識的關係剪斷. 這是香港教育一直以來的制度問題, 總是被人認為不能學以致用, 對工作毫無幫助. 文科者沒有邏輯思考的能力, 理科者從不知道那些算式的來歷, 商科者更是枯燥不斷重複又重複的刻板動作. 在看似有選擇的自由假象下, 把學生平衡發展這一途給抹煞了.

接著台長指出, 我們閱讀所面對的三個困難: 沒時間, 看完忘記了, 內容過於艱深看不懂. 台長以自己為例, 他每日要有十小時睡覺才行. 就算睡不到十小時就醒了, 也要懶床懶到足才行. 剩餘十四個小時, 還能做到這樣多事, 所以台長認為我們都可以做到. 再者, 知識是靠累積而來的, 即使我們只有半句鐘, 甚至十分鐘, 也有可做的事. 換句話說, 就是要我們不要浪費時間, 不要蹉跎歲用.

聽到這裡, 自己也很慚愧. 因為自己在時間分配上, 十分不濟. 手頭上有很多事想做, 老是覺得廿四小時也不夠, 卻終日坐在電腦案前蹉跎, 書桌上還有許多書未看, 要寫的東西還未完成, 日復日的, 一事無成. 可是台長卻可以主持多個電台節目, 還有時間看書, 更可以學功夫, 總是在羨慕別人是沒用的, 一定要將自己的精神集中完成手上工作才行.

在這裡, 亦見到科技對人的另一個副作用, 便是使人集中力時間不斷縮短. 在街上隨處可見人們埋首手機上, 不論遊戲, 電視劇, 聊天等等, 人們只將精力放在娛樂上, 得到丁點兒的麻醉, 但在與人面對面相處的溝通能力卻爛得可以, 有時也在想, 究竟科技是不是真的使人進步呢?

至於看完忘記了這方面, 台長指出有短暫記憶及長期記憶兩種, 而短暫記憶在考試時總是很吃香, 可是考試過後, 就忘記得一乾二淨. 只有長期記憶對知識的累積有用. 再者, 不是長時間埋首書叢中就能得到知識, 在飲食上, 台長表示食多些蛋白質的食物能增加記憶. 還有要有適量運動才行, 因為運動過後, 腦部釋出某些物質, 對我們記憶也有幫助.

的而且確, 蛋白質裡面有酪氨酸(Tyrosine), 能刺激大腦保持精神集中, 對思維, 長期記憶以及回憶也有幫助. 所以在閱讀時或考試溫習時, 需要保持頭腦敏銳清醒, 進食時就要選擇高蛋白質的食物. 而運動能激化一種名為腦源性神經營養因子 (Brain Derived Neurotrophic Factor, BDNF), 帶動體內荷爾蒙分泌, 促進細胞分裂, 對大腦中樞神經元發展很有幫助. 因此, 不要長時間坐在案頭上看書或溫習, 抽一點點時間運動, 對記憶也很有幫助. 更何況長時期坐在看書, 不見得就能記住, 投入時間到某個數目, 想做的結果效率會不斷遞減, 這就是Law of Diminishing Marginal Return, 邊際報酬遞減定律. 不論我們有沒有讀過經濟, 也應該明白.

最後就對書本的理解問題. 台長表示這問題關乎個人對中文及英文的水平有多高, 並認為我們生於香港, 有先天的優勢, 只因我們比較新加坡, 台灣及大陸, 在中英文水平上較好, 而且這個華洋雜處之地, 較容易找到不同國家的書藉. 對於我們閱讀理解的障礙, 台長建議我們要有一本能解釋清楚詳細的中文及英文字典各一本, 最理想是最傳統的, 要用索引查找的字典.

去到問答時段時, 有在場人士問台長, 怎樣揀選適合自己的書籍? 這也是視乎個人能力的問題, 台長認為某本書是不是適合自己, 只要嘗試翻閱開首的章節十多頁便能判斷出來. 另外, 台長認為只要我們懂得利用書本後面的Index部份, 讀書就能事半功倍. 至於哪間圖書館藏書夠豐富及多元化, 台長說當然是大學圖書館, 並指明是港大的圖書館. 公共圖書館藏書都豐富, 可是不夠多元化.

整個分享會讓我們獲益良多, 亦切合我們所需. 還記得台長那個知識累積的比喻: 以水喉向著筲箕灌水, 十年後, 也是什麼也留不到. 如是一個水缸, 縱使每日只是一滴水點, 十年後, 也能盛到一定量的水. 台長以此比喻, 勉勵我們持之以恆去做, 將來也能像他一樣, 博古通今. 永遠相信智識就是力量, 亦是文明的象徵, 讓我們把壞習慣改掉, 好好的充實自己吧.

能源: 初始之資源, 煤 (下)

煤可說是地球上最豐富, 分布地區最廣的資源. 根據世界能源委員會 (World Energy Council, WEC) 估計, 世界可採煤量達到五百多億噸, 佔世界可採的化石燃料量的66.8%, 足夠全球224年之用. 直至1996年所估計, 世界探明的可採煤量有一億多噸. 而全球蘊藏煤最豐富為美國, 有煤礦沙地阿拉伯之稱. 其次是俄羅斯, 中國排第三. 接著是澳洲, 印度, 德國等. 可是最大的產煤國卻是澳洲, 佔全球的70% (2010年統計). 出產的煤, 主要給中國消費, 其消費量佔全球的35%.

煤是冶金及工業用的重要源料. 主要以燃燒, 煉焦, 氣化, 低溫乾餾, 加氫液化等方法提煉煤. 一些國家, 如中國, 就是透過燃燒煤發電所得. 煉焦就是將煤放入乾餾爐內, 隔開空氣後加熱, 把煤中的有機質分解, 以氣態或蒸氣形態冒出, 氣體就是焦爐煤氣, 用作燃料及合成化工之用. 而蒸氣體, 就是煤焦油, 可用在生產肥料, 醫藥或農藥, 合成橡膠或纖維, 油漆染料及瀝青等. 至於不能揮發的物質, 就是焦碳. 它是煉鐵的源料, 也能造成植物用的氮肥, 及合成化工用的電石.

氣化, 也是把煤轉為工業用的合成化工原料或民用的燃料之用 (這與我們在家中用的煤氣有別. 我們家中用的煤氣, 是由石油原油中提煉出來的石腦油再加工而成的). 至於低溫乾餾, 就是把煤置於550度的溫度下乾餾, 取得低溫焦油及低溫焦爐煤氣, 用於製造高級液化燃料或化工原料. 最後, 加氫液化就是用褐煤, 氣煤等, 與重油, 加入催化劑混合一起, 在氫作用下, 經過高溫和高壓, 化成液態和氣態, 進一步產生汽油或柴油等燃料.

現在煤的開採方法有兩種. 由於煤埋藏深度有所不同, 對較深的煤層, 就會採用礦井開採; 較淺的, 則用露天開採. 至於開採方法, 主要有三種: 房柱法開採, 長壁開採法, 還有最傳統的炸藥法. 房柱法開採就是用鎢合金 (以鎢為基礎加入其他金屬合成的合金. 用鎢合金好處是堅硬及熔點高. ) 鑽頭鑽採煤, 再由斗車送到地面. 全球三分之二以上的煤, 都是以這方法開採的.

第二多的開採法 (佔20%左右), 就是長壁開採法. 利用煤層切割機, 把煤切下, 再送到輸送設施帶出礦井. 其餘的11%, 還是使用最傳統的炸藥法, 亦即是用爆破的方式將煤移除.

不論煤和石油, 在提煉燃燒時, 總會釋出有害元素, 其中最主要就是硫 (煤含有5%至10%的硫; 石油3%). 硫進入大氣中危害嚴重. 硫與空氣結合後, 成為二氧化硫 (一噸煤能造成至少五十公斤的二氧化硫, 而石油燃燒後有90%的硫都會變成二氧化硫), 吸收水氣後變成硫酸霧, 對人的眼睛和呼吸道有刺激作用, 令人出現咳嗽, 打噴嚏, 喉嚨痛, 惡心, 呼吸困難等徵狀, 嚴重的會造成支氣管炎及哮喘等病症, 甚至會窒息死亡.

當二氧化硫融入雨水形成硫酸雨, 落到農作物後, 會令稻米及小麥減產. 落到河流或湖裡, 會令水的酸度增加, 水中的細菌和微生物因而死亡, 影響水中生物好似魚類的生長. 當酸雨落到城市中的建築物上, 會侵蝕外壁, 加速其老化. 據估計, 美國每年因酸雨污染造成的經濟損失, 達到二百五十億美元.

世界人口增加, 對煤及石油需求有增無減, 這意味著, 因燃燒它們所產生的二氧化硫不斷增加. 各國為了應付這有害物質而不斷增加的成本, 為了決解問題, 各國對自身本土的工業, 會以獎勵減排硫去減低污染. 從宏觀角度看, 世界向兩個方面著手解決硫污染. 一個是潔淨煤技術 (Clean Coal Technology), 即是從煤的開採到利用過程中, 透過高新技術, 減少污染及硫排放. 另一方面, 則從聯合國層面所制定的國際公約, 聯合國氣候變化綱要公約 (United Nations Framework Convention on Climate Change, 簡稱UNFCCC或FCCC) 去限制排放.