氢元素：新能源技术革命的希望？
氢，原子序数1，宇宙中最丰富的元素。氢有7种同位素，最常见的同位素不携带中子，只有一个质子。氢是结构上最简单的原子，大部分量子力学的教科书中都有关于氢原子的介绍，因为它的薛定谔方程可以严格求解。
碳水化合物含有氢，所以氢在我们的日常生活中无处不在。氢与氧、氮等元素可以形成氢键，它与离子性结合和共价键不同。离子性结合形成的离子晶体中，结合的单位为失去电子或者获得电子的原子（正、负离子）而不是原子本身；正负离子相间排列，靠库伦作用构成固体。共价键中，两个原子共享一个电子，这两个电子的波函数交叠。而氢键中，既有库伦作用力，又有部分共价键的作用。氢键不仅能在分子内形成，还能在分子间形成。例如，水分子间的主要结合力就是氢键。氢键的结构灵活，键长键角都是可以变化的，如果具备氢键形成的条件，固液气中都会尽可能多地形成氢键。尽管氢原子本身量子力学可解、氢键的概念已被提出了超过100年，如今关于理解氢键的科研工作还在继续。
两个氢可以组成双原子分子H2，它室温下以气态形式存在，因此称为氢气。氢分子由共价键组成，共价键的现代理论开始于对氢分子的量子力学研究。氢气是一种清洁能源，它与氧气结合可以放出大量热量。同等质量下，氢气燃烧放出的热量是煤炭的四倍以上，并且它的反应产物是水，对环境无害。氢气可以来自天然气的裂解或者直接由水的电解产生。如何高效利用太阳能和催化剂将水分解为氢气和氧气是一个重要的前沿研究课题。同等质量的氢比煤炭燃烧时放出的能量多，可是常温时氢是气体，同等体积下的氢气存储能量的能力远低于碳，另外，氢气在空气中可能爆炸，所以如何安全高效地存储氢气也是一个重要的问题。高效存储的方法之一是利用能吸附氢气的材料，称为储氢材料。早期的储氢材料能存氢到大气中氢气密度的千倍，现在储氢材料的种类越来越多，实用存储效率也越来越高。美国能源部关于储氢电池的一个目标是，在空间、价格、安全等方面能与现有市场竞争的情况下，单次存储能量满足500公里以上的汽车行驶需要。
存储氢气的另一个有效方法是低温环境。液体H2称为液氢，它的沸点离绝对零度只有20开尔文；H2固体的熔点离绝对零度只有14开尔文，是常压条件下熔点最低的固体。比氢气还难固化的物质是氦，它只有在远高于大气压和更低的温度下才能成为固体。考虑到液体和气体之间的密度差别，单位体积的液氢储能能力远高于单位体积的氢气储能能力。对液体加压可以进一步增加密度，以增加储能能力。液氢加上液氧可以作为火箭的燃料。当作为火箭燃料时，除了考虑单位体积下的储能能力之外，更重要的是单位质量下的储能能力。储氢材料中一定存在非氢元素，它们无法转换为能量，因此，液氢比储氢材料更适合火箭。因为液氢温度下只有氦气能维持气态，高压氦气是一个合适的压力源以挤压液氢到需要的位置。液氢的存储比常规液体复杂得多。当两个氢原子结合成氢分子时，如果考虑上自旋，有两种可能的量子态，称为正氢和仲氢。常温下，这两种量子态都是允许的，而极低温时，液氢会尽量转化为能量较低的一种量子态。量子态间转化会发出热量，因此液氢会吸收热量而气化。如果未让氢分子充分转化为低能量子态便直接降温到液氢温度，常压条件下将液氢搁置一段时间后，这个转化产生的热量足以让一半的液氢又重新变为氢气。
从能源角度，核聚变才是氢最重要的舞台。所谓核聚变，指的是两个较轻的核结合为较重的核，这个过程可能产生其他粒子和大量的能量，也称为轻核聚变。地球上的能量大部分来自太阳，而太阳的能量主要来自氢的核聚变。如果在比太阳温度高一倍的恒星中，参与核聚变的元素更可能是碳和氮。地球上的核聚变其实也已经实现了，它就是氢弹（与轻核聚变对应的名词是重核裂变，它对应的军事应用是原子弹）。携带1个中子的氢同位素称为氘，它在自然界中也稳定存在。氘可以参与聚变，两个氘聚变可以产生一个氦3（3He，氦的一种稳定同位素）和一个中子；也可以产生一个氚（氢的另一种同位素，携带两个中子，不稳定，半衰期12.4年）和一个质子。氢弹的“燃料”并不直接是氘，而是氘化锂。氘化锂是固体，比气体的氘运输和存储更方便，当氢弹的“引信”原子弹爆炸时会产生大量中子，中子、氘、氚和锂之间有多种聚变方式，可以产生大量能量。氢弹的外壳还可以采用铀，让聚变产生的中子进一步产生重核裂变。
和平利用可控裂变的核电站已经出现很久了，而可控核聚变的技术却一直未能实现。在较容易出现的聚变反应中，主要的参与者有氘、氚、3He，6Li和中子。其中的氚和中子难以存储，3He难以获得；相比而言，氘很容易得到，大约每8,000个氢原子中有一个氘原子。氢原子大量存在于海水中，因此，通过氘的可控核聚变提供能源几乎不存在原料供应问题，以现在人类消耗能源的速度几乎可以算是取之不尽的。相比起来，人类现有的各种能源来源均有不足之处：煤和石油等化学燃料总量有限，基于核裂变的核能也受限于原料总量，而水电、风电和太阳能等可再生能源在单位时间内能提供的能量有限。如果能源不是问题，人类社会的很多生活习惯将可以轻松地被改变。例如，耗能大的个人飞行器将能普及，城市内交通不再局限于路面，而是可以实现多层次的立体交通；可以调节整个城市的温度，减少严寒和酷热天气。如果能源不是问题，从技术层面，一个全新的能源技术革命马上就会到来；从物理层面，人类也将能开展更高能量尺度的实验，探索更深层次的粒子物理。
从氢弹到利用核聚变获得民用能源，中间的瓶颈就在“可控”二字。一个显而易见的难度就在于聚变发生时的温度，如果你还意识到太阳的能量来自聚变的话。氘氘聚变的临界温度在1亿开尔文的数量级，在这个温度下，不再有固体、液体、气体，物质都以等离子体形式存在，此时的电子与正离子并存。换句话说，任何常规意义上的容器都无法容纳这个温度下的核聚变反应。另外，等离子体还需要有足够高的密度，否则如果核聚变产生的能量小于维持等离子体存在的能量，聚变将无法输出能量。太阳之所以可以发生核聚变，是因为它巨大质量所产生的引力约束了等离子体，这样的约束称为惯性约束。可控核聚变的方案中，有的方案用激光惯性约束：利用激光提供能量让小尺度（比如10微米量级）的聚变材料局域在小空间内加压加温。也有的方案用强磁场约束等离子体：带电离子在磁场下可以做闭合回路运动，从而实现空间局域，这套方案有时也称为托卡马克。人们还在寻找各种不需要高温的聚变方式，这些方案称为冷核聚变。不管哪一套方案，实现它们所需要的技术难度都异常巨大。虽然人们期盼可控核聚变多年，虽然许多国家持续斥巨资开展相关研究，目前世界上还没有可民用的核聚变技术。
氢，原子序数1，它是人类社会的能源基础，它承载了新能源技术革命的希望。
（作者：锁相）
- 发表于 2015-07-17 00:00
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