第四章能源與社會(修)

第四章能源與社會§4．1

能源的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢能源是指可能為人類利用，以獲取有用能量的各種來源。像化石燃料、核能、太陽能、風(fēng)力、水力及地?zé)崮艿鹊?。能源在人類社會的發(fā)展中占據(jù)重要地位，它是人類社會發(fā)展的基本條件，是發(fā)展農(nóng)業(yè)、工業(yè)、科學(xué)技術(shù)和提高人民生活水平的重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。能源開發(fā)利用的廣度和深度，是衡量一個國家的科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。

化學(xué)在能源的研究和利用過程中扮演著重要的角色：煤的充分燃燒利用核反應(yīng)的控制和利用化學(xué)電源的制造太陽能電池材料的研制等都與化學(xué)有密切的聯(lián)系?？梢哉f，能源科學(xué)發(fā)展的每一重要環(huán)節(jié)都與化學(xué)息息相關(guān)。4．1．1能源的分類

能源可以分為一次能源和二次能源。

一次能源：指從自然界獲得，而且可以直接應(yīng)用的熱能或動力：通常包括煤、石油、天然氣等化石燃料（又稱礦物燃料）以及水能、核能、地?zé)崮?、太陽能等。石油、煤、天然氣大約占總能耗的85％左右。二次能源：通常是指需依靠其他能源而獲得的能源，如電能、汽油、氫能等。

4．1．2

世界能源的結(jié)構(gòu)與消耗

（1）世界能源消耗量

能源1980年1986年增長率％

消耗萬噸標(biāo)煤

百分率％

消耗萬噸標(biāo)煤

百分率％

石油37.6744.241.08389煤炭26.2530.732.433024天然氣18.3121.421.262019核能和水力3.013.512.9712335總計85.24100108.110027（2）世界各種能源消費的構(gòu)成

平均1980年1986年煤炭石油天然氣水電核電煤炭石油天然氣水電核電30.744.221.43.533.139.722.44.8美國22.845.029.32.926.244.824.94.1日本18.568.97.65.023.756.312.87.2英國37.536.923.71.937.135.224.92.8印度68.226.21.24.467.825.33.43.4中國72.120.83.14.075.817.22.34.7由于化石燃料的資源有限，若按保守的估計，即保持原有的能耗水平：地球上煤的開采只能維持200年而石油和天然氣只能維持50年左右對于水力資源，大多數(shù)發(fā)達(dá)國家早已進(jìn)行了充分利用。所以，從今后能源的發(fā)展趨勢看，非常規(guī)能源，如核能、氫能和太陽能等的發(fā)展將越來越受到重視。而其中又以核能為最。4．1．3我國能源的現(xiàn)狀和未來

1．能源總量豐富，人均不足總量豐富：煤炭已探明儲量為1.5Tt，居世界第三位；石油為7.0Gt，居世界第六位；天然氣為33.3Tm3，居世界第十六位；而水力資源及水電均居世界第一位。4．1．3我國能源的現(xiàn)狀和未來

1．能源總量豐富，人均不足人均不足：由于我國人口眾多，我國商品能源人均消耗量為800kg標(biāo)準(zhǔn)煤，僅為世界平均值的1／3；而單位國民生產(chǎn)總值能耗則是世界上最高的國家之一。因此，我們面臨的嚴(yán)重問題是能源短缺，利用率低，浪費嚴(yán)重，污染成害。

2．改善能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用率從能源構(gòu)成來看，煤炭仍然是我國的主要能源，能源利用率也較低。尤其是民用煤的利用率，只相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家的四分之一。這也是引起我國大氣污染嚴(yán)重的原因之一。能源短缺和浪費同時存在。

我國能源政策實施的重點是：改善能源結(jié)構(gòu)，增加清潔能源比重，特別是提高煤炭轉(zhuǎn)換成電能的比重；加快水電和核電的建設(shè)；因地制宜地開發(fā)和推廣太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能和生物質(zhì)能等清潔能源；加強(qiáng)對煤的綜合利用，改進(jìn)燃燒技術(shù)來提高煤的利用率；大力提倡節(jié)約能源。3．能源“瓶頸”已被突破

據(jù)國家統(tǒng)計局報告，1996年我國生產(chǎn)的一次能源，包括原煤、原油、天然氣、水電，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.26Gt，居世界前列。其中，原煤產(chǎn)量為1.38Gt，居世界第一位；原油產(chǎn)量為0.158Gt，天然氣產(chǎn)量為20.1Gm3；發(fā)電量為1.08×1012kWh，居世界第二位。我國的能源工業(yè)已實現(xiàn)了由嚴(yán)重短缺到供需基本平衡的歷史性跨越，引人注目的能源“瓶頸”已被突破。

4．能源開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

能源大量消耗帶來環(huán)境污染和生態(tài)破壞以煤炭為燃料的工業(yè)鍋爐和民用爐是大氣中產(chǎn)生CO2、煙塵排放的主要來源。各種機(jī)動車的廢氣污染空氣。燃用高硫煤和高硫油產(chǎn)生SO2會形成酸雨鍋爐排放的粉煤灰污染江河與大地煤炭和石油的開采給周圍的生態(tài)環(huán)境帶來影響。因此，在開發(fā)和利用能源的同時，必須重視污染的治理，實行能源開發(fā)、利用與環(huán)境治理同步發(fā)展的方針。

治理污染已經(jīng)有許多成熟的經(jīng)驗：使用高效率電氣除塵裝置可以把鍋爐除塵效率提高到99％粉煤灰可以作為建筑材料、公路以及填海造地的材料。高硫油和高硫煤在使用前或使用中經(jīng)過處理可以減少硫的排放。機(jī)動車要使用無鉛汽油，進(jìn)行尾氣轉(zhuǎn)換與監(jiān)控，同時要研制和采用對環(huán)境危害較小的電動汽車。要大力開展治理能源污染的科研工作，促進(jìn)能源環(huán)保技術(shù)裝備的配套和產(chǎn)業(yè)的形成。能源資源是寶貴的財富，必須十分珍惜。礦產(chǎn)資源即使地下蘊(yùn)藏量豐富，也要注意節(jié)約使用。何況，我國有的礦產(chǎn)資源至今發(fā)現(xiàn)的蘊(yùn)藏量有限，更要注意節(jié)約使用。對于可再生資源，如水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能等，應(yīng)加大科研開發(fā)和使用的力度。在開發(fā)和使用能源的時候，必須興利除弊，保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡，實行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。我們不僅要考慮當(dāng)代人對能源的利用，而且要把一個可持續(xù)利用能源的條件留給子孫后代。4．2

化石燃料的有效與清潔利用

目前世界上所需的能量主要來自化石燃料——石油、天然氣和煤?；剂腺A存了太陽的能量當(dāng)化石燃料完全燃燒生成二氧化碳和水時，該貯存的能量又以熱的形式被釋放出來。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，釋放出的熱量

可以利用化學(xué)方法進(jìn)行計算4．2．1

煤炭及其有效清潔利用（1）煤炭的種類天然存在的泥煤、褐煤、煙煤和無煙煤人工產(chǎn)品木炭、焦炭、煤球等。（2）煤的主要成分碳、氫、氧三種元素少量氮、硫、磷和一些稀有元素煤中還會有泥、砂等礦物雜質(zhì)和水分。（3）煤炭的熱值碳（以石墨計）在298.15K時完全燃燒的熱化學(xué)方程式為C（石墨）＋O2（g）=CO2（g）Q＝ΔHo（298.15K）=-393.5kJ·mol-11g碳（石墨）Q=-32.8kJ·g-1。

但原煤中含有的氫，燃燒時與氧化合生成水，也產(chǎn)生熱。

用熱量計測定煤完全燃燒時發(fā)生的熱量叫做高發(fā)熱值；扣除水蒸發(fā)（汽化）熱，即生成物H2O以氣態(tài)計所得的熱量叫做低發(fā)熱值

煤炭的成分和高發(fā)熱值

種類質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%高發(fā)熱值kJ·kg-1

CHO木材5054520900泥煤5753824300褐煤6253321300褐煤70～785～613～2424300～30500煙煤80～905～63～1130500～36800無煙煤90～9243～430500～35600硫、磷等是煤中的有害成分。硫燃燒變成SO2、SO3和H2S等有害氣體，腐蝕燃燒室，污染大氣。含磷過多的煤不適用于煉鐵，因為磷進(jìn)入鋼鐵會使鋼鐵發(fā)脆。煤是固體燃料，其最大缺點是燃燒反應(yīng)速率慢、利用效率低，且不適用于多數(shù)運輸業(yè)（尤其不適用于汽車）作動力源還會導(dǎo)致嚴(yán)重的大氣污染。從資源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境綜合考慮，適宜在煤產(chǎn)地搞熱電聯(lián)產(chǎn)，提高煤炭轉(zhuǎn)換成電能的比重；在城市發(fā)展煤氣或液化燃料。1．水煤氣

將空氣通過裝有灼熱焦炭（將煤隔絕空氣加熱而成）的塔柱，則會產(chǎn)生放熱反應(yīng)，主要反應(yīng)為：C(s)＋O2(g)＝CO2(g)Q＝－393.5kJ·mol-1

放熱可使焦炭溫度上升到1500℃左右；切斷空氣，再將水蒸氣通過熱焦炭，發(fā)生以下反應(yīng)C(s)＋H2O(s)=CO(s)＋H2(s)Q＝131.3kJ·mol-1生成的混合氣體稱為水煤氣，按體積分?jǐn)?shù)含有約86％的CO和H2。1．水煤氣

水煤氣中的CO和H2完全燃燒時可放出大量熱：C(s)＋1/2O2(g)＝CO2(g)Q＝－283kJ·mol-1

H2(g)＋1/2O2(g)＝H2O(g)Q＝－285.8kJ·mol-1水煤氣的最大缺點是其中的CO有毒而且這種制備方法只能間歇制氣，且操作復(fù)雜，有待改進(jìn)

2．合成氣

將純氧和水蒸氣在加壓下通過灼熱的煤，可使煤中的苯酚（C6H5OH）等揮發(fā)出來，并生成一種氣態(tài)燃料混合物：按體積分?jǐn)?shù)約含40％H2、15％CO、15％CH4和30％CO2，稱為合成氣。此法不但可直接用煤而不用焦炭，且可進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。合成氣可用作天然氣的代用品，其完全燃燒所產(chǎn)生的熱量約為CH4（-890kJ·mol-1）的1／3。3．液體燃料

用上述合成氣為原料在100kPa和200℃并有適當(dāng)催化劑存在時CO和H2能反應(yīng)生成烴類混合物，例如：6CO(g)

+13H2(g)

=C6H14（l）+6H2O（l）8CO（g）＋17H2（g）=C8H18（l）+8H2O（l）8CO(g)＋4H2(g)＝C4H8(g)＋4CO2(g)從而可制得汽油、柴油和液化石油氣但目前成本還偏高4．2．2

石油和天然氣

1.石油：石油又稱為原油，是多種碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮黄渲泻墟溚闊N、環(huán)烷烴、芳香烴和少量含氧和含硫的有機(jī)物質(zhì)。石油經(jīng)過分餾和裂化等加工過程后可得到：石油氣、汽油、煤油、柴油、潤滑油等一系列的產(chǎn)品。與外國石油相比，我國大部分石油具有以下特點：輕質(zhì)油收率較低；原油中烷烴多，其中正烷烴含量高；渣油中瀝青質(zhì)少，含硫量低，但含氮量偏高，釩含量很低，鎳含量中等

1.

石油石油加工產(chǎn)品中最重要的燃料是汽油。汽油中最有代表性的組分是辛烷（C8H18）。辛烷完全燃燒的熱化學(xué)方程式可表達(dá)如下C8H18(1)+25/2O2(g)=8CO2(g)+9H2O（l）Q=-5.44×103kJ·mol-12.天然氣

天然氣是一種低級烷烴的混合物主要組分為甲烷（CH4），少量乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）等。甲烷完全燃燒的熱化學(xué)方程式為

CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)＋2H2O（l）Q==-890kJ·mol-1

汽油和天然氣使用方便，燃燒熱大。但由于能源消耗急劇增長，而蘊(yùn)藏量畢竟有限，所以除了化石燃料外，還必須開發(fā)多種能源。4．3

化學(xué)電源

利用自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為化學(xué)電源。例如：各類干電池、蓄電池、燃料電池，是很有發(fā)展前途的無污染清潔能源。4．3．1

原電池與電極電勢

1．原電池對于一個能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，例如Zn（s）＋Cu2＋（aq）＝Zn2＋（aq）＋Cu（s）ΔG0（298.15K）=－212.55kJ·mol-1<0那么，能不能將此反應(yīng)的化學(xué)能（ΔG0）直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苣兀?．3．1

原電池與電極電勢

實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的裝置稱為原電池（如圖）4．3．2

化學(xué)電源

一般可將化學(xué)電源分為原電池蓄電池燃料電池等三類分別介紹如下1．原電池原電池是利用化學(xué)反應(yīng)得到電流、放電完后不能再重復(fù)使用的電池，故又稱為一次性電池。常用的有鋅錳干電池、鎂錳干電池、鋅汞電池（鈕扣電池）、鋰-鉻酸銀電池等。1．原電池－鋅錳干電池的結(jié)構(gòu)鋅錳干電池的電動勢為1.5V，其缺點是產(chǎn)生的NH3氣能被炭棒吸附，引起極化導(dǎo)致電動勢下降較快，改進(jìn)－－堿性鋅錳干電池：用高導(dǎo)電的糊狀KOH電解質(zhì)代替NH4Cl，正極導(dǎo)電材料改為鋼筒，讓MnO2層緊靠鋼筒堿性鋅錳干電池由于無氣體生成，內(nèi)電阻較低，故電動勢較穩(wěn)定，它還能借充電再使用數(shù)次。

2．蓄電池

蓄電池不僅能使化學(xué)能變?yōu)殡娔埽€可借助其他電源使反應(yīng)逆向進(jìn)行，是一種可逆電池，又稱二次電池。

最常用的是酸性鉛蓄電池，簡稱鉛蓄電池。鉛蓄電池是目前所有二次電池中，使用最廣泛，技術(shù)最成熟的電池。2．蓄電池2．蓄電池鉛蓄電池的優(yōu)點：具有充、放電可逆性好，能大電流放電，穩(wěn)定可靠，價格低廉等優(yōu)點，因此使用很廣泛。缺點：笨重。主要用途：汽車和柴油機(jī)車的啟動電源，搬運車輛、坑道及礦山車輛和潛艇的動力電源，以及變電站的備用電源。80年代以來，鉛蓄電池在性能、結(jié)構(gòu)、原材料選擇等方面有了很大的改進(jìn)，尤其是在性能提高（輕量高能化）和使用簡便（免維護(hù)密閉化）等方面有了驚人的進(jìn)展。3．燃料電池燃料電池與前兩類電池的主要差別：它不是把還原劑、氧化劑物質(zhì)全部貯藏在電池內(nèi)，而是在工作時不斷從外界輸入氧化劑和還原劑，同時將電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出電池。因此，燃料電池是名符其實的把能源中燃料燃燒反應(yīng)的化學(xué)能連續(xù)和直接轉(zhuǎn)化為電能的“能量轉(zhuǎn)換機(jī)器”。能量轉(zhuǎn)換率很高。可達(dá)80％以上，為熱機(jī)效率的一倍多。燃料電池的高能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)到節(jié)省燃料的目的。3．燃料電池燃料電池與前兩類電池的主要差別：其次，燃料在空氣中燃燒時要產(chǎn)生大量的煙、霧、塵和有害氣體污染大氣，危害生態(tài)環(huán)境，而燃料電池不會產(chǎn)生這些污染問題。所以科學(xué)家預(yù)言，燃料電池將成為下世紀(jì)世界上獲得電力的重要途徑，是繼水力、火電、核能發(fā)電之后的第四類發(fā)電——化學(xué)能發(fā)電。（1）堿性氫氧燃料電池這種電池用30％～50％KOH為電解液，在100℃以下工作。燃料是氫氣，氧化劑是氧氣。每個電池可產(chǎn)生1.23V的電動勢。于20世紀(jì)60年代應(yīng)用于美國Gemini載人宇宙飛船上，也曾用于叉車、牽引車等，但其作為民用產(chǎn)品的前景目前還評價不一?？隙ㄕ邉t認(rèn)為該燃料電池的材料較便宜，若使用天然氣作燃料時，它比惟一已經(jīng)商業(yè)化的磷酸型燃料電池的成本還要低。（2）磷酸型燃料電池

它采用磷酸為電解質(zhì)，利用廉價的碳材料為骨架。它除以氫氣為燃料外，現(xiàn)在還有可能直接利用甲醇、天然氣、城市煤氣等低廉燃料與堿性燃料電池相比，最大的優(yōu)點是它不需要CO2處理設(shè)備。磷酸型燃料電池已成為進(jìn)展最快，也是目前最成熟的燃料電池，它代表了燃料電池的主要發(fā)展方向。

（2）磷酸型燃料電池

目前世界上最大容量的燃料電池發(fā)電廠是東京電能公司經(jīng)營的11MW美日合作磷酸型燃料電池發(fā)電廠該發(fā)電廠自1991年建成以來運行良好。近兩年來投入運行的100多個燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，90％是磷酸型的。市場上供應(yīng)的磷酸型發(fā)電系統(tǒng)類型主要有日本富士電機(jī)公司的50kW或100kW和美國國際燃料電池公司提供的200kW。富士電機(jī)已提供70多座電站，現(xiàn)場壽命超過10萬小時。磷酸型燃料電池目前有待解決的問題是：如何防止催化劑結(jié)塊而導(dǎo)致表面積收縮和催化劑活性的降低，以及如何進(jìn)一步降低設(shè)備費用。4．4

核能及其風(fēng)險利弊

隨著社會發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類對能源的需求急劇增加?；剂系拇罅咳紵纸o人帶來深為憂慮的環(huán)境問題，而且使它們在地球上的儲量日益面臨枯竭。本世紀(jì)以來，能源危機(jī)已一次又一次地席卷著西方國家。在我國，能源供應(yīng)緊張局面已持續(xù)了20多年，自80年代以來，全國大約每年缺少煤炭20Mt以上，石油10Mt以上，電500×108kWh以上。全國約有25％的工業(yè)生產(chǎn)能力因缺能源而不能發(fā)揮作用，能源工業(yè)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”產(chǎn)業(yè)。4．4

核能及其風(fēng)險利弊

為緩和能源的這一矛盾，核電得到了迅速的發(fā)展。到1995年底，全世界已經(jīng)投入使用和在建的核電站共476座。有些國家核電已成為主要能源。國家

核電比例/%國家核電比例/%法國64.8日本22.7比利時59.8韓國22.1瑞典

42.3英國19.3瑞士

39.8美國15.5芬蘭

38.2捷克14.6保加利亞

31.6加拿大12.7德國

43.2阿根廷11.3西班牙

24.0俄羅斯10.3匈牙利

23.6核電占總電量10％以上的國家(1985年底)4．4.1

核裂變與核聚變

隨著社會發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類對能源的需求急劇增加?；剂系拇罅咳紵纸o人帶來深為憂慮的環(huán)境問題，而且使它們在地球上的儲量日益面臨枯竭。本世紀(jì)以來，能源危機(jī)已一次又一次地席卷著西方國家。在我國，能源供應(yīng)緊張局面已持續(xù)了20多年，自80年代以來，全國大約每年缺少煤炭20Mt以上，石油10Mt以上，電500×108kWh以上。全國約有25％的工業(yè)生產(chǎn)能力因缺能源而不能發(fā)揮作用，能源工業(yè)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”產(chǎn)業(yè)。1

核裂變具有核裂變的核燃料有鈾-235、鈾-233、钚-239目前正在運轉(zhuǎn)的核電廠所使用的是鈾-235。用慢中子轟擊鈾-235時，就起下列裂變反應(yīng)：

1

核裂變裂變產(chǎn)物非常復(fù)雜，已發(fā)現(xiàn)的裂變產(chǎn)物有35種元素（從30Zn到64Gd），放射性核有200種以上。核裂變所釋放出的大量能量與質(zhì)量虧損有關(guān)，可用愛因斯坦（A．Einstein）公式進(jìn)行計算:

△E:系統(tǒng)能量的改變量△E=∑E生成物-∑E反應(yīng)物△m:系統(tǒng)質(zhì)量的改變量△m=∑m生成物-∑m反應(yīng)物C:光速（2.9979×108m·s-1）

1

核裂變可以計算出，在核裂變過程中，每1g參加反應(yīng)的鈾-235可放出約8×107kJ的能量每1g煤完全燃燒時放出的熱量約為30kJ這就是說，1g鈾-235裂變所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于約2700噸煤燃燒時所放出的能量。可見核能是多么巨大。

1

核裂變由于核裂變反應(yīng)中產(chǎn)生了中子，故裂變反應(yīng)以鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的形式進(jìn)行一般來說，在核裂變反應(yīng)中，產(chǎn)生的中子數(shù)多于消耗的中子數(shù)但產(chǎn)生的中子會被核裂變物質(zhì)和反應(yīng)堆內(nèi)構(gòu)件吸收一部分，還有一部分中子將逃逸到堆外幸存中子的多少，對裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)具有決定性影響如果幸存中子平均不到1，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就愈來愈弱，稱為“收斂”1

核裂變?nèi)绻掖嬷凶悠骄笥?，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)會愈來愈強(qiáng)，稱為“發(fā)散”，最后可能達(dá)到無法控制的地步，原子彈爆炸即利用此原理，這非常危險！利于核能發(fā)電時，希望幸存中子恰好為1，讓鏈?zhǔn)椒磻?yīng)經(jīng)久不息地進(jìn)行下去。駕馭鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可通過控制棒實現(xiàn)，控制棒可用既能吸收中子但本身又不發(fā)生裂變的材料如鎘、硼、鉿制成。這種核反應(yīng)堆稱為熱中子反應(yīng)堆

1

核裂變天然鈾由三種同位素組成，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)是：鈾-234：0.0055％鈾-235：0.72％鈾-238：99.2745％其中僅鈾-235可發(fā)生上述裂變反應(yīng)作核燃料，鈾-238不能直接用作核裂變?nèi)剂?，其資源就很少?，F(xiàn)代技術(shù)已開創(chuàng)了將鈾-238轉(zhuǎn)變成钚-239的技術(shù)1

核裂變钚-239能進(jìn)行核裂變反應(yīng)。也就是說，在反應(yīng)堆里，每個鈾-235或钚-239裂變時放出的中子，除維持裂變反應(yīng)外，還有少量的中子可以用來使難裂變的鈾-238轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎兊念?239。這種反應(yīng)堆稱為快中子增殖堆。簡稱快堆。即快堆在消耗裂變?nèi)剂弦援a(chǎn)生核能的同時，還能生成相當(dāng)于消耗量1.2～1.6倍的裂變?nèi)剂?。這樣，就可以把熱中子反應(yīng)堆中所積壓的鈾-238充分利用。

2．核聚變

核聚變是使很輕的原子核在異常高的溫度下合并成較重的原子核的反應(yīng)，放出更大的能量以氘與氚的聚變反應(yīng)為例：根據(jù)公式

ΔE=Δmc2

可以算出：1g燃料核聚變所產(chǎn)生的能量約為3.37×108kJ大約是核裂變相應(yīng)能量的4倍。2．核聚變

核聚變反應(yīng)也稱為熱核反應(yīng)。氫彈爆炸也是熱核反應(yīng)。不過，氫彈的能量不是逐步放出來的，而是以爆炸的形式一下子放出來的。所以，利用這些能量就很不容易。如果能夠控制核聚變反應(yīng)，使能量逐步釋放出來。那么，就可以利用核聚變能來發(fā)電，這就是受控核聚變反應(yīng)。2．核聚變

實現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)，先要將氘、氚等核燃料加熱到很高的溫度（大約要1億度以上）在這樣高的溫度下，氘、氚等氣體原子將全部發(fā)生電離，變成帶正電的離子和帶負(fù)電的自由電子，這種由離子和電子組成的氣體稱為等離子體。等離子體的溫度越高，放出的能量就越多。當(dāng)溫度達(dá)到臨界時，放出的能量足以加熱下一次添加的氘氚燃料，聚變反應(yīng)就可以持續(xù)下去，這時就稱為受控核聚變的“點火”。2．核聚變

目前實現(xiàn)“點火”還有幾大困難急待解決，首先是加熱，即如何將等離子體加熱到如此高的溫度。其次是約束，即使達(dá)到了“點火”溫度，高溫等離子體不能與盛裝它的容器壁相接觸，否則等離子體要降溫，容器也會被燒壞。對于這些問題，目前正在研究和試驗。但是，離最終目標(biāo)的實現(xiàn)已為期不遠(yuǎn)了。據(jù)專家估計，熱核聚變發(fā)電有望在21世紀(jì)二三十年代獲得成功。到那時人類再無須受能源危機(jī)的困擾，浩瀚的大海將成為取之不盡用之不竭的燃料寶庫。4．4．2

利用核能的意義和風(fēng)險

1．發(fā)展核能是必由之路

1）核能是地球上儲量最豐富的能源，又是高度濃集的能源。地球上已探明的核裂變?nèi)剂?，即鈾礦和釷礦資源，按其所含能量計量，相當(dāng)于化石燃料的20倍。地球上還存在大量的聚變核燃料氘。自然界每噸海水或河水中均含有3g氘，所以，將來聚變反應(yīng)堆成功后，人類將不再為能源問題所困擾。1．發(fā)展核能是必由之路

2）核電是較清潔的能源，有利于保護(hù)環(huán)境燃燒化石燃料的后果：排出大量有害氣體，危害人體健康和農(nóng)作物生長，導(dǎo)致酸雨和大氣層的“溫室效應(yīng)”，破壞生態(tài)平衡。核電站沒有這些危害。核電站嚴(yán)格按照國際上公認(rèn)的安全規(guī)范和衛(wèi)生規(guī)范設(shè)計，對放射性三廢進(jìn)行嚴(yán)格的回收處理。放射性排放總劑量比較（發(fā)1000億度電）：核電站：1.2Sv，火力發(fā)電站3.5Sv可見即使僅從放射性排放角度看，核電也比火電小

1．發(fā)展核能是必由之路

（3）核電的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于火電。雖然核電廠建造費用較高（一般要比火電廠高出30％～50％），但燃料費則比火電廠低得多?；痣姀S的燃料費約占發(fā)電成本的40％～60％，而核電廠的燃料費則只占20％～30％?？偟乃闫饋恚穗姀S的發(fā)電成本要比火電廠低15％～50％。（4）以核燃料代替煤和石油，有利于資源的合理利用。煤和石油都是化學(xué)工業(yè)的寶貴原料，作為化工原料使用要比僅作燃料的利用價值高得多。2．反應(yīng)堆的安全性與風(fēng)險人們擔(dān)心：核電是否會發(fā)生原子彈那樣的爆炸？（烏克蘭切爾諾貝利核電廠發(fā)生事故而污染環(huán)境）原子彈爆炸是由核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)引起的，核反應(yīng)堆的基本原理也是核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原子彈都采用高濃度（大于93％）的裂變物質(zhì)作燃料，而核反應(yīng)堆大都采用低濃度裂變物質(zhì)作燃料雖然也有少數(shù)反應(yīng)堆采用高濃度裂變物質(zhì)，但這些核燃料在任何情況下，都不可能達(dá)到爆炸式鏈?zhǔn)椒磻?yīng)所需要的臨界質(zhì)量。反應(yīng)堆內(nèi)有安全手段：如控制棒中子吸收體，能使能量釋放有控制地緩慢進(jìn)行，反應(yīng)堆內(nèi)還有控制鈾裂變速率的減速劑，故反應(yīng)堆在任何情況下都不可能發(fā)生核爆炸，這也是被實踐證明了的。2．反應(yīng)堆的安全性與風(fēng)險2．反應(yīng)堆的安全性與風(fēng)險2．反應(yīng)堆的安全性與風(fēng)險切爾諾貝利核電站事故主要原因：采用世界上僅前蘇聯(lián)所獨有的石墨沸水堆，其設(shè)計本身就有嚴(yán)重缺陷沒有設(shè)置封閉放射性物質(zhì)的安全殼，一旦反應(yīng)堆損壞，放射性物質(zhì)就釋放到環(huán)境嚴(yán)重違反安全規(guī)程，以致產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。當(dāng)今世界上絕大多數(shù)核電反應(yīng)堆，包括我國秦山和大亞灣的壓水反應(yīng)堆，都設(shè)計成可根據(jù)“負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)”進(jìn)行安全保護(hù)的功能，即溫度升高，反應(yīng)性減弱，溫度超過一定限度，核反應(yīng)就自行停止。所以，切爾諾貝利式的事故在壓水型反應(yīng)堆中肯定不會發(fā)生2．反應(yīng)堆的安全性與風(fēng)險核能發(fā)電時產(chǎn)生廢氣、廢液和廢物的處理：放射性廢氣經(jīng)過活性炭吸附和過濾后由煙囪高空排放；放射性廢液經(jīng)蒸發(fā)濃縮、離子交換處理后，一部分可循環(huán)使用，一部分經(jīng)監(jiān)測合格后可向江、河、海排放；濃縮殘液可固化為固體廢物；出堆的燃料先放在水池內(nèi)半年以上，讓大部分放射性同位素衰變掉，然后在進(jìn)行化學(xué)處理提取未燒盡的鈾、钚等有用物質(zhì)，再和固體廢物一樣裝桶深埋。我們?nèi)砸逍训乜吹?，放射性三廢處理尚未找到完全安全、有效的方法，核裂變能利用的風(fēng)險并未完全消除3．輻射對人體的危害高能粒子流會破壞維持生命所必需的酶和激素以及細(xì)胞生存必不可少的染色體。輻射還可能產(chǎn)生自由基而使組織細(xì)胞破壞?？稍斐稍煅到y(tǒng)、消化系統(tǒng)及中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害。臨床表現(xiàn)為乏力、頭暈、失眠、嘔吐、腹瀉、發(fā)熱、出血等。大劑量輻射可引起惡性淋巴瘤、多發(fā)性骨髓瘤、白血病、再生障礙性貧血及其他癌癥。輻射對身體的影響通常并不一定立即表現(xiàn)出來，有時有滯后效應(yīng)，例如癌癥的發(fā)生，輻射引起正常細(xì)胞向癌細(xì)胞轉(zhuǎn)變要經(jīng)過一系列變化，大多數(shù)病例中癌的發(fā)生滯后于暴露在輻射中的誘發(fā)期在5～20年之間。4．4．3

核能開發(fā)利用的步驟和前景核能的開發(fā)利用，是一個循環(huán)漸進(jìn)的長期過程。一般說來，應(yīng)按其科技難度的不同，分為熱中子反應(yīng)堆、快中子增殖堆、可控聚變堆三步，互相銜接，逐步進(jìn)入實用階段。第一步是熱中子反應(yīng)堆的應(yīng)用。這是指堆芯內(nèi)有慢化劑，將快中子慢化為熱中子工作的反應(yīng)堆。壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨堆都是熱中子反應(yīng)堆現(xiàn)在世界上已有四百多座熱中子堆核電站（其中約70％為壓水堆）在運行發(fā)電，年發(fā)電量占全世界總發(fā)電量的20％4．4．3

核能開發(fā)利用的步驟和前景核能的開發(fā)利用，是一個循環(huán)漸進(jìn)的長期過程。一般說來，應(yīng)按其科技難度的不同，分為熱中子反應(yīng)堆、快中子增殖堆、可控聚變堆三步，互相銜接，逐步進(jìn)入實用階段。第一步是熱中子反應(yīng)堆的應(yīng)用。這是指堆芯內(nèi)有慢化劑，將快中子慢化為熱中子工作的反應(yīng)堆。壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨堆都是熱中子反應(yīng)堆現(xiàn)在世界上已有四百多座熱中子堆核電站（其中約70％為壓水堆）在運行發(fā)電，年發(fā)電量占全世界總發(fā)電量的20％4．4．3

核能開發(fā)利用的步驟和前景核能的開發(fā)利用，是一個循環(huán)漸進(jìn)的長期過程。一般說來，應(yīng)按其科技難度的不同，分為熱中子反應(yīng)堆、快中子增殖堆、可控聚變堆三步，互相銜接，逐步進(jìn)入實用階段。第一步是熱中子反應(yīng)堆的應(yīng)用。這是指堆芯內(nèi)有慢化劑，將快中子慢化為熱中子工作的反應(yīng)堆。壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨堆都是熱中子反應(yīng)堆現(xiàn)在世界上已有四百多座熱中子堆核電站（其中約70％為壓水堆）在運行發(fā)電，年發(fā)電量占全世界總發(fā)電量的20％熱中子堆的主要缺點是它的核燃料利用率很低。在開采、精煉出來的金屬鈾中，只有不足1％能在熱中子堆中裂變產(chǎn)生核能4．4．3

核能開發(fā)利用的步驟和前景第二步是快中子增殖堆的應(yīng)用。快堆最大的優(yōu)點是它能充分利用核燃料?？於言谙牧炎?nèi)剂弦援a(chǎn)生核能的同時，還能生成相當(dāng)于消耗量1.2～1.6倍的裂變?nèi)剂?。因此，就可以把熱中子堆所積壓的鈾-238在快堆中充分利用。工藝系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，投資甚大，安全問題尚未徹底解決。目前快堆在技術(shù)上尚不成熟，它在經(jīng)濟(jì)上還不能與壓水堆競爭。估計需到2030年前后，快堆才能取得對壓水堆等熱中子反應(yīng)堆的優(yōu)勢，從而逐漸取代熱中子反應(yīng)堆我國的“863”高科技規(guī)劃把研究、設(shè)計、建造一座電功率2.5×104kW的快堆試驗性電站作為重點項目列入，以期在2030年前后達(dá)到當(dāng)時世界先進(jìn)水平。4．4．3

核能開發(fā)利用的步驟和前景第三步是可控?zé)峋圩兌眩圩兌殉晒?，水中的氘足以滿足人類幾十億年對能源的需求。然而，實現(xiàn)持續(xù)的可控核聚變難度非常大。關(guān)鍵問題是等離子體的穩(wěn)定約束。各國已建造多種類型的試驗裝置200多臺進(jìn)行研究我國核工業(yè)西南物理研究院和中國科學(xué)院合肥物理研究所等進(jìn)行了多年研究，已取得一些令人矚目的成果，并正在擴(kuò)大國際合作，以期能與國際上的研究接軌?？傊?，目前可控?zé)岷司圩冞€處于基礎(chǔ)研究階段，但已露出勝利的曙光。有人預(yù)計到2050年前后能實現(xiàn)原型示范的可控核聚變堆，發(fā)展到經(jīng)濟(jì)實用階段，還有一段艱辛的道路