书城科普读物科学奥秘丛书-新材料与新能源
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第13章 原子核和同位素(2)

以一座100万千瓦的电站来说,如果以煤为燃料,一天就耗煤一万吨,而以铀235为“燃料”,一天只要四公斤就够了。对比之下,人们可以节省多少运输和贮存方面的人力和费用,并且减少多少吨污染环境的二氧化硫、氧化氮和烟尘啊!

魔鬼还是天使

自从人类开发出原子能以来,到今天也还只有40多年历史。世界上第一座原子能发电站,是在50年代建立的,在这短短的20多年时间里,人们对于利用原子能发电的评价,却已几经周折。尤其是60年代后期,当世界规模的环境污染问题显得尖锐突出的时候,原子能电站也成了被指责的对象。

原子能电站,确实有一些特殊的安全和环境保护问题。安全方面,主要是发生事故的可能性。集中了无比巨大的能量、并且有大量放射性物质的核反应堆和第一载热系统,是不允许发生事故的。但是,最精心的设计和最严格的管理,也不可能把发生意外的可能完全排除,那怕最微小的可能性,也会构成对人类社会的潜在威胁。环境方面,则主要是燃烧后遗留下来的核残渣,包括气体、液体和固体物,对人体有害。

前几年,美国三里岛核反应堆发生渗漏事故以后,更激起了一场轰动世界的轩然大波。甚至有人把原子能比作神话里阿拉伯魔瓶里逃出来的魔鬼,认为已经到了把这个魔头收回魔瓶中去的时候了。

原子能真的这么可怕吗?把这个巨人赶回去禁锢起来,还是进一步利用他,这就关系到人类未来的命运了。

如果原子能电站发生事故确实会造成可怕的后果。但是,从世界上已在运转的七百座核电站的情况来看,人们完全可以通过各种措施,把事故发生的可能性降低到最低限度。自60年代到今天,还没有发生过放射性物质的大量渗漏和人员严重伤亡的事故。就是轰动一时的“三里岛事件”,漏出放射性气体而造成的“灾难”,是否值得这样大呼大叫,也还是个问题。因为三里岛核电站全体118名职工中,连一个受伤的也没有,“受害”最深的三个人,所受到的,也只是略高于容许的季度照射量而已。虽然事故发生后,当局将8千米范围内的孕妇、儿童全部撤出,16千米范围内的学校关闭,居民有不少逃离的,但是据测定,如果有人在事故发生前后,寸步不离地留在电站近旁的话,他们受到的放射性物质量,也只不过像照射了二、三次医疗X光罢了。可见一些人对于核电站的恐惧,实际上是带有盲目的过敏感的,就像一些人“谈癌色变”一样。

核电站发生事故有多大的可能性呢?据美国对即将投入生产的一座轻水型反应堆的情况预计是,大约25万年,才可能有一次伤亡事故。这样看来,这方面灾难的可能性,要比飞机失事、地震、水坝断决、风灾等还要少得多。

至于放射性核残渣的处理,由于它的数量,与同样能力的火力电站的废物相比,要少得多,所以完全可以用封闭深埋的方法加以妥善解决。

应该说,使用原子能,对人类的安全和健康,决不比使用其他能源,象煤、石油,甚至水电和太阳能来得差。

最近我国一百多位科学家、工程师提出在我国东南八省、市和辽宁省,作为近期缺能区;四川、河南、安徽、山东、北京、天津等省、市,列为中期缺能区,大力建设核电站。而在我国,象铀资源、原子能科研和核燃料工业体系、反应堆设计队伍、材料生产以及设备制造等条件,也都是具备了的。

人人知道,不能因噎废食。当然我们更不能把“天使”看作“魔鬼”。

一举五得的沼气

小池里的气泡

立在污浊的死水小池塘边,你能够看到时时有一串串的气泡,从池底冒上来,仿佛池塘里有无数鱼儿在深处游泳、时时在呼着气似的。如果你有意识地在池边猛力跺脚,或者拿根长棒去搅动池底,那么,冒上来的气泡就更多,有时还带着泛起一二片烂树叶、腐草茎呢。把这种气泡里的气体收集起来,划一根火柴,它就会燃起一朵蓝幽幽的火花。原来池里的气泡不是鱼儿呼气,死水里哪来的鱼儿!而是一种可燃的气体在冒上来,它的名称叫“沼气”。

为什么沼气可以燃烧呢?化学分析告诉我们,这种气体,里面有百分之六十多的甲烷,百分之三十多的二氧化碳,还有一些氢、氮、硫化氢、一氧化碳等。我们知道,甲烷是天然气的主要成分,那是很容易着火的,所以沼气能够燃烧,也就不足为奇了。

甲烷属于一种最简单的碳氢化合物;二氧化碳则通常是在动物、植物呼吸或者煤炭燃烧时才产生的,那么,为什么这些气体竟然会从池塘里冒出来呢?

天然有机物的自然发酵

在死水的池塘底里,往往沉积着各种各样的天然有机物质,像树皮、草根、败叶、枯枝、垃圾以及动物的粪便之类。这些有机物质的主要成分,是植物光合作用所产生的碳水化合物。

这些有机物质加上尘土,一层层淤积在池底,密密实实,隔绝了空气,加上温度、湿度适宜,所以生存着大量的、形形色色的嫌气性细菌。这些细菌是专门靠积聚在池底的有机物质生存的。在它们大“吃”有机物质,把它消化为自身养分的时候,也就把结构十分复杂的各种有机物质的大分子,一步步地肢解开来,最后就变成了最简单的碳氢化合物甲烷和二氧化碳了。整个过程,如果用一个化学式来表示的话,那就很明白了:

(C6H10O5)n(有机物质)+nH2O(水)

细菌3nCO2(二氧化碳)+3nCH4(甲烷)

不过化学式虽然简单、明自,但因为各种嫌气性细菌都各有“专长”,所以整个过程又可以分为两个阶段。

第一个叫做“酸发酵阶段”。天然的有机物质是五花八门的,但大体上不外乎纤维素、蛋白质、脂肪等几大类。这些不同类型的大分子化合物,各有自己的分子结构特征。有趣的是嫌气性细菌中,就有着与之相对应的各种“专业”菌种,比如对付纤维素,就有使纤维素分解细菌;对付蛋白质,就有使蛋白质分解细菌;对付脂肪,就有使脂肪分解细菌,等等。它们的作用,就是把各种天然有机物质,先分解成比较简单的有机物分子。这些比较简单的有机物质,通常是丁酸、丙酸、乙酸等低级有机酸。所以这个阶段叫做“酸发酵阶段”。这里所谓“发酵”,是给细菌分解有机物质过程的一个专门名称。这个阶段的特点,是把种类繁多的天然有机物质,分解成比较单一的几种低级有机酸。

第二个称为“气体发酵阶段”。在这个阶段,工作是由嫌气细菌中的另一类——甲烷细菌来承担的。甲烷细菌靠“吃”丁酸、丙酸、乙酸等过活。在它们消化这些“食物”的过程中,就进一步把丁酸、丙酸、乙酸分解成最简单的物质,也就是甲烷和二氧化碳。

经过这样两个阶段的分解,最后便使沉积在池底的有机物质,变成了主要由甲烷和二氧化碳组成的沼气。那死水池塘里冒上来的气泡,就是这样产生的。

不光是池底,像阴沟、沼泽、人畜粪坑里,凡是有大量有机物质积聚,而又隔绝空气,有适宜温度、湿度的处所,都会滋生嫌气性细菌,都会生出沼气来。

沼气登上能源舞台

说到底,沼气就是嫌气性酸化细菌和甲烷细菌生命活动中排出的废气,就像动物生命活动中呼出二氧化碳一样。但是二氧化碳不能燃烧,沼气却是二次能源。

算起来,嫌气性细菌还是地球上最早的生物哩。好几亿年前,地球上还远没有出现我们今天看到的动物和植物,这些细菌,就在没有氧气的海底繁殖起来了。有了这些细菌,也就有了沼气,所以沼气在地球上出现的历史,已经非常久远了,应该说沼气的存在是毫不稀奇的。奇怪的倒是,人类从远古到不久之前,竟然没有想到去碰它一碰,当然更不必说利用了。

英国人是世界上最早使用沼气。1895年在英国爱斯特镇附近建成的那一座沼气槽,大概要算是全球第一个生产沼气的设施了吧。建造人是卡曼伦,他把池塘底里产生气泡的过程,搬到了一只特制的密封槽里,然后把收集到的气体,用来点燃爱斯特镇街道的路灯。

沼气受到人们重视,还是最近一些年来的事。当地球上的煤、石油、天然气等显得越用越少,不能节流、必须开源的时候,除了开发原子能、太阳能、氢能等等之外,人们很自然地会去寻求一切可能的能源,更何况科学技术的发展,在世界各地并不那么均衡。地球上有很大一部分地区,有不少国家,在经济、技术、资源等方面,还不具备发展高级能源的条件,但对能源的需求却同样紧迫,急待解决,这样,沼气的利用便应运而起。

由于沼气的主要原料是植物的枯枝败叶,动物的粪便,而“加工”则由嫌气性细菌来完成,所以对设备没有十分严格的要求。只要有一个隔绝空气,能保持适当温度和湿度的贮槽就行了。这样,沼气就特别适宜于在广大的农村里发展。

从能量平衡的角度来看,沼气事实上也算太阳能的一个部分。太阳中的一部分能量,经过植物的光合作用,变为以有机物形式出现的生物能。这种生物能的一部分,转化为能量,以维持植物的生命,另一部分,则变成植物的躯体、器官等有形物。躯体和器官,又往往有一部分被动物吃掉,有些则衰败凋零。这衰败凋零的部分,可以看作是经过植物利用后残余的太阳能。但是,它却是生产沼气的好原料。

就是被动物吃掉的那部分植物的躯体、器官,也并非全为动物所吸收,其中有一部分转化为维持动物生命的能量,一部分构成了动物的机体,但也还有一部分是变成粪便,排出体外了,这是经过动物利用后残余的太阳能,它也是生产沼气的原料。

可别小看这样经过转辗变化的一小部分、一小部分动物、植物利用后残存下来的太阳能,它们的能量是可观的。

此外,农村里农副产品加工工业,象酱、酒作坊的下脚、废液,也是很好的生产沼气的原料。当然这仍然是残余太阳能的回收。

一举五得

沼气在一切新能源的开发中要算是最简单的了。建造发生沼气的发酵槽,不需要复杂的技术和特殊的材料,只要有普通的水泥、石子、黄砂、泥土这些寻常的建筑材料,就可以因陋就简,土法上马了。至于原料,农村中有的是。在我国,农村人口众多,土地辽阔,水陆两界农、林、牧、副、渔五业兴旺,从人粪到衰草,取之不尽,用之不竭。比如农村人口以8亿计。那么,光这么多人的粪便,就足够发生520亿立方米的沼气,折算起来,相当于4320万吨煤。至于五禽六畜的粪便,那数量就更大了。此外,农作物的茎、秆,叶、壳,水草、河泥,哪一件不是沼气的原料?化腐朽为神奇,扩大了能源,这是第一得。

第二得是这种能源可以普及。农村五口之家,自己修建一个8立方米到10立方米容积的沼气槽,每天产生一立方米沼气,一家烧饭煮茶,以至灯火照明,基本上就有保证了。这样,每户每年可以节约柴草2000斤到3000斤,从而也解决了目前农村的柴荒。要是一村一寨地办起沼气发电站,用于谷物脱粒,加工粮食、饲料,供应家庭照明,那就更有利了。

农村普及沼气,可以减轻妇女的家务劳动,解放农村的劳动力,使得妇女有充裕的时间提高文化水平,搞传统的手工业品和手工艺品,利国利家,这是第三得。

第四得是扩大肥源。经过发酵的人畜粪便和弃枝败叶,是极好的肥料,这种肥料也叫沼气肥。因为沼气肥是有机物质经过发酵、分解以后的产物,所以它比一般的有机肥料更容易被农作物所吸收,肥效也就更高。据调查,在我国农村,一个十立方米容积的沼气槽,一年可以出沼气肥三百担到四百担。这样大量的有机肥料,不但弥补了肥料的不足,而且大大地改善了土壤的结构和性质。同时,肥多粮多,粮多牲口多,从而又促进了养猪等农副业的发展。

最后,是彻底改变农村的环境卫生状况。由于办了沼气,污水、粪便、垃圾、杂草,都投进了沼气发酵槽里去了,环境卫生得到改善,又减少了蚊蝇的孽生,家家户户也就整洁起来了。办沼气还有助于消灭传染病。比方象人畜粪便中携带的各种传染病病菌、寄生虫的虫卵,在发酵槽内密闭、处于缺氧和受高浓度氨作用的条件下,它们全都会死亡,这就无异于进行了一次良好的消毒工作。这是第五得。

办沼气一举,而有这样五得,又何乐而不为呢!