作者：陈钊 中国科学技术大学 核科学技术学院博士生 德国卡尔斯鲁厄理工学院 核能技术研究所联合培养博士生
比尔-盖茨曾经说过，他一生中有三大梦想：第一个梦想是希望每个人都能拥有一台电脑——这个梦想他已经实现;第二个梦想是希望每个人都能拥有平等的医疗机会，包括世界上最贫穷的地区，他成立的比尔和梅琳达-盖茨基金会每年投入大量资金用于消灭艾滋病、结核病和疟疾等——这个梦想他正在努力中;第三个梦想是希望能让最贫穷地区的人用上廉价的清洁能源，他成立的泰拉能源公司正在紧锣密鼓地开展科技研发——这个梦想他才刚刚开始。
能源与气候问题
比尔-盖茨认为，能源对于改善人类的生活具有重要意义。现代文明是建立在先进能源技术基础上的，人类历史进程的前进需要能源技术不断取得突破。只有到了20世纪初，在能源价格快速下降后，人类才能够用上冰箱和空调，才能拥有各种现代化的事物，才能够真正享受现代文明给我们带来的美好生活。因而，人类希望拥有更加美好的生活，就必须在能源技术上取得突破，从而进一步降低能源价格。
图1 1900~2000年间美国能源价格曲线图
然而，当我们在努力降低能源价格的同时，又面临了另外一个新的挑战——气候问题。我们目前大量使用的能源，如煤炭、石油、天然气等，都属于化石能源。化石能源的使用会排放大量的二氧化碳，二氧化碳的大量排放将导致全球温度上升，全球温度上升将导致全球气候变化，全球气候变化将破坏现有的生态环境，生态环境的破坏意味着庄稼将无法生长，洪涝和干旱将频繁发生。这些变化将会摧毁我们原本已经非常脆弱的生活环境，从而导致饥荒，导致动荡，导致更多的贫困。因此，我们必须给能源的利用增加一个新的限制，这个限制就是二氧化碳排放量。
减少二氧化碳排放
图2 1855~2009年间全球二氧化碳排放总量曲线图
图3二氧化碳排放量计算公式
能源消耗与二氧化碳之间的关系，我们可以通过一个公式来说明，这个计算二氧化碳的公式有4个因素，分别是人口总数(P)，人类使用的服务量(S)，每项服务所消耗的能源量(E)和每单位能源所排放的二氧化碳量(C)。接下来，我们将逐个因素进行分析。
首先是人口总数(P)。目前世界上有68亿人口，而且在不断增加，一直会持续到90亿左右。随着科技发展，如果我们在新疫苗开发、医疗服务、生殖健康方面的工作做得卓有成效的话，也将促进这个因子的增长。所以，我们无法通过这个因素来降低二氧化碳的排放。
第二个因子是我们使用的服务量(S)，这包括我们吃的食物、穿的衣服、电视、空调、暖气等。这个因子越大，说明我们使用上了更多、更好的服务，说明我们拥有更加美好的生活。所以，我们也不可能通过降低它来降低二氧化碳的排放。
第三个因子是每项服务所消耗的能源量(E)，也就是能源效率。这个因子不会持续上升，我们可以通过发明新技术，采用新材料等方法，来降低每项服务所消耗的能源量。但是，能源效率的提高是有限的，通过提高能源效率来降低二氧化碳的排放也是非常有限的。因此，我们并不能在这个因子上基于太多的期望。
第四个因子，也是最关键的一个，是每单位能源所排放的二氧化碳量(C)。在这个因子上，我们可以大有所为。我们可以通过采用清洁能源，降低二氧化碳的排放，甚至可以降至为零。所以，我们要改变现在以化石能源为基础的能源系统，在全球范围内建立一个以清洁能源为基础的新的能源系统。当然，这是一个非常严峻的挑战。但我们只有这样去做，才能进一步提高人类的生活水平，才能实现人类的可持续发展。
寻找能源奇迹
在众多的清洁能源技术中，比尔˙盖茨较为看好的有5个方向，他们分别是碳捕集、核能、风能、光伏太阳能和太阳能热利用。这5种清洁能源技术都可以实现二氧化碳零排放的目标。只是目前它们还不够成熟，都存在很多需要解决的难题。这是一项伟大的工作，它需要我们投入大量的资金和研究人员，需要我们在技术上不断取得突破。
碳捕集是指将化石燃料燃烧产生的二氧化碳通过烟囱收集、加压、液化和储存。目前的试验已经能够做到捕集60%~80%的水平;但这还不够，还需要进一步提高。此外，在一个地方长期大量储存二氧化碳也会引起争议，也存在一些长期安全隐患。如何提高碳捕集效率，如何解决二氧化碳废料的存储问题，这些都是目前我们需要解决的关键问题。
图4 碳捕集技术原理图
核能是一种能够实现大规模利用的清洁能源，但它同样面临很多困难。首先是安全问题，科学家必须发展出相关技术，让核电站运行得更加安全，真正杜绝核事故的发生。同时，我们还要确保核燃料不会被用于武器制造，防止核扩散。第三个问题是核废料处理的问题。核废料虽然量不大，但有很多令人顾虑的地方。科学家必须发展相关技术来处理这些核废料，这些方法必须让人们感到安心。这些问题都很困难，但是都可以解决，所以我们需要继续努力。
5种能源的后3种，包括风能、光伏太阳能和太阳能热利用，人们通常称为可再生能源。它们都不需要燃料，都来自于大自然，是非常清洁和可持续发展的技术。但是它们同样面临很多挑战。首先，这些技术所收集到的能源的密度非常低，要远远小于电厂。这相当于是能源农业，其规模都是平方千米级的，比常规的发电厂要大几千倍。其次，这些能源是间歇性的，太阳光不是一整天都有，风也不是一直在吹。如果完全依赖这些能源，我们还得有其它渠道来获取能源，以度过间歇期。最后，这些能源都面临巨大的成本问题和传输方面的挑战。因为适合建风电场和太阳能电站的地方一般都是在人口稀疏的地方，这些地方发出来的电需要输送到人口密度的城市，而这个距离通常是非常遥远的。
图5 风电场 图6 光伏太阳能电站 图7太阳能热电站
比尔-盖茨的努力
对于以上5种能源中的每一种，我们都需要投入大量的资料和研究人员。值得高兴的是，现在已经有很多团队投入到其中，开展了实质性的行动，比尔˙盖茨的团队就是其中一个。
比尔-盖茨出资几千万美元成立了泰拉能源公司(TerraPower LLC)，他们正在开发一种新的核反应堆。这种新的核反应堆称为行波堆，它不燃烧常规的核燃料铀235，而燃烧核废料中的铀238。铀235非常稀少，其存量还不到天然铀的1%，而铀238储量非常丰富，占天然铀99%，且开采非常容易。这可以说是一个疯狂的想法，但并不是不可能。他们已经通过超级计算机进行了数值模拟，证明方案是可行的。他们的燃料是原本被丢弃的核废料，所以成本可以极大地降低。而且，他们把核废料变成了燃料，再也不用担心该怎么处理核废料的问题。这样，他们只需要采用现有储存在美国肯塔基州核废料场的核废料，就可以为全美国供应数百年。另外，仅仅通过简单的开采程序，就可以得到足以供应地球下半辈子使用的燃料了。
图8 美国肯塔基州核废料场
图9 Terrapower设计的先进反应堆
图10 Terrapower开展的反应堆数值模拟
当然，TerraPower的技术还存在各种各样的困难，解决这些困难，需要政府、企业和科研机构多方面的共同努力。比尔-盖茨正在不断地寻求合作，中国便是他理想的合作者之一。他已分别于2011年12月和2013年3月两次来到中国，与政府官员、企业和研究机构开展交流，共同探讨推进先进核电技术的合作。
寻找能源奇迹，面临诸多挑战;但他们没有放弃，他们正在不断地努力中。
资料来源：
1. 比尔-盖茨TED大会演讲稿，《Energy Miracles: Innovating to Zero CO2》，2010年2月
2. Terrapower公司公开发布资料，《TerraPower, LLCNuclear Initiativ》，2009年4月
