能源-昆明理工大學(xué)工程力學(xué)試驗(yàn)中心課件

第七章能源能源是人類生存和發(fā)展須臾不能離的物質(zhì)基礎(chǔ)。國家的能源結(jié)構(gòu)、能源政策、能源儲備不僅與人民日常生活息息相關(guān)，也維系著國家安全和命運(yùn)。

§7-1實(shí)用的能量轉(zhuǎn)化第一章指出，能量是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種量度，對應(yīng)物質(zhì)的不同運(yùn)動(dòng)形式有不同形式的能量。物體具有能量，就具有作功的本領(lǐng)。能源：擁有人類有能力利用的能量的物體。能源科學(xué)：有關(guān)認(rèn)識、開發(fā)、利用能源的科學(xué)知識體系。第七章能源1從物理學(xué)的角度看認(rèn)識和開發(fā)能源是通過實(shí)驗(yàn)和理論上的探索發(fā)現(xiàn)新的儲能方式和儲能物體。利用能源是使能源儲存的能量轉(zhuǎn)換為其它形式儲存的能量，并在轉(zhuǎn)換過程中獲所需的功。

經(jīng)典力學(xué)闡明能量守恒定律：在與外界沒有能量交換的系統(tǒng)，能量形式可以轉(zhuǎn)化，但總量不變。熱力學(xué)第二定律指出能量有退化的趨勢。從物理學(xué)的角度看認(rèn)識和開發(fā)能源是通過實(shí)驗(yàn)和理論上的探索發(fā)現(xiàn)新2實(shí)用的一些能量轉(zhuǎn)化裝置:

一.熱機(jī)

熱機(jī)是將燃料燃燒釋放的能量——熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。

熱機(jī)一般由五大部分組成：工作物質(zhì);加熱部分；輸出機(jī)械能部分

;冷卻部分；加壓部分，輸水泵或壓縮機(jī)等。加熱部分冷卻部分加壓部分輸出機(jī)械能部分Q1Q2工作物質(zhì)輸出機(jī)械能部分實(shí)用的一些能量轉(zhuǎn)化裝置:一.熱機(jī)3

鍋爐燃燒燃料獲得熱能，熱能通過轉(zhuǎn)換裝置將水變?yōu)橛幸欢▔毫蜏囟鹊母邷馗邏赫羝?，蒸汽膨脹獲得動(dòng)能，推動(dòng)活塞作功是蒸汽機(jī)；推動(dòng)葉輪再帶動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)作功是汽輪機(jī)。內(nèi)燃機(jī)是汽油、柴油、輕油等液體或氣體燃料在燃燒室內(nèi)點(diǎn)火燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體在氣缸內(nèi)膨脹，推動(dòng)活塞作功獲取機(jī)械能。按熱力學(xué)過程不同，常見的有奧托循環(huán)和狄塞爾循環(huán)。鍋爐燃燒燃料獲得熱能，熱能通過轉(zhuǎn)換裝置將水4

二.發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化二次能源——電能的裝置。依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，發(fā)電機(jī)的線圈（轉(zhuǎn)子）在磁場（定子）中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電動(dòng)勢。例如可將水的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能（mgH=mv2/2）驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)，運(yùn)動(dòng)氣流驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，風(fēng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)車等，這些裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)部分帶動(dòng)轉(zhuǎn)子而發(fā)電。常用的是三相兩極交流發(fā)電機(jī)。我國規(guī)定，工業(yè)用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速3600轉(zhuǎn)/分，定子產(chǎn)生頻率為50Hz交流電。目前最好的火力發(fā)電機(jī)效率約為40%。二.發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)5現(xiàn)發(fā)展的磁流體發(fā)電機(jī)，是直接把熱能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。由燃燒室、通道和磁體三大部分組成。燃料和氧化劑通過噴嘴注入燃燒室，點(diǎn)火后產(chǎn)生約3000K高溫燃?xì)?，?jīng)噴管加速到約800m/s，氣體分子電離成自由電子和正離子組成的導(dǎo)電氣流（等離子體）。通道管放置在磁體的磁場中，且與磁場方向垂直。當(dāng)導(dǎo)電氣流進(jìn)入通道時(shí)，在垂直于磁場和氣流的方向產(chǎn)生感生電動(dòng)勢，實(shí)現(xiàn)熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。與火力發(fā)電相比，省去鍋爐和蒸汽管道系統(tǒng)，用導(dǎo)電氣流取代轉(zhuǎn)子，用磁體取代定子，省去機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，從而造價(jià)只有同容量火力發(fā)電機(jī)的1/4，效率達(dá)60%，熱污染也小1/3左右。氣體電離所需的高溫與須承受3000K高溫材料間的矛盾，使磁流體發(fā)電實(shí)用化遇到困難?，F(xiàn)發(fā)展的磁流體發(fā)電機(jī)，是直接把熱能轉(zhuǎn)化為電能6

電動(dòng)機(jī)是發(fā)電機(jī)的逆裝置，也主要由兩線圈組成。一組固定稱為定子，用來產(chǎn)生磁場；另一組旋轉(zhuǎn)稱為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子通以電流，在定子的磁場中受到磁力矩作用發(fā)生旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出。

三．電能轉(zhuǎn)化為熱能焦耳給出電能與熱能間的轉(zhuǎn)化關(guān)系：電流強(qiáng)度為I的電流，通過電阻為R的導(dǎo)線，通電時(shí)間為t，則釋放的熱能（焦耳熱）為

Q=I2Rt這是最常見的電-熱轉(zhuǎn)換。電弧式熱轉(zhuǎn)換是利用兩電極電壓升高時(shí)，電流急劇加大，極間氣體形成熱等離子體，電子、正離子與陽極、陰極相互碰撞產(chǎn)生高溫（一般在3000K以上）。

電動(dòng)機(jī)是發(fā)電機(jī)的逆裝置，也主要由兩線圈組成。7

電弧式熱轉(zhuǎn)換是利用兩電極電壓升高時(shí)，電流急劇加大，極間氣體形成熱等離子體，電子、正離子與陽極、陰極相互碰撞產(chǎn)生高溫（一般在3000K以上）。電弧煉鋼就是一例。大塊導(dǎo)體放在高頻率變化電流產(chǎn)生的磁場中時(shí)，在導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電流——稱為渦電流。有很強(qiáng)的熱效應(yīng)。冶金用的高頻爐達(dá)到精煉目的。高頻率變化電流有在導(dǎo)體表面薄層流動(dòng)的特性（趨膚效應(yīng)），因而可使熱處理元件表面溫度升高，實(shí)現(xiàn)表面淬火。市售的新型炊具電磁爐也是利用了渦電流的熱效應(yīng)。各種照明設(shè)備還可方便地將電能轉(zhuǎn)換為光能。電弧式熱轉(zhuǎn)換是利用兩電極電壓升高時(shí)，電流急劇加8

相對論給出質(zhì)能關(guān)系式E=mc2，指出質(zhì)量的變化必然伴隨著能量的變化ΔΕ=Δmc2，從而揭示了利用核能的可能性，人類在20世紀(jì)下半葉從電氣時(shí)代進(jìn)入到核能時(shí)代。

§7-2常用能源

一.能源分類地球上的能源按來源可分為三類：來自地球以外的,地球本身的,地球與其他天體的相互作用。

第一類是來自地球外天體的能量，主要是太陽輻射能。傳統(tǒng)能源煤、石油、天然氣、生物質(zhì)能也都間接地來源于太陽。相對論給出質(zhì)能關(guān)系式E=mc2，指出質(zhì)量的9

第二類是地球本身蘊(yùn)藏的能量。如地球內(nèi)部的地?zé)崮?，地殼中保留的核燃料（鈾、釷、鋰等）所儲存的核裂變能，海洋中氘、氚儲存的核聚變能等。第三類是由于地球和月亮、太陽等天體相互作用所產(chǎn)生的能量，如風(fēng)能、潮汐能等。按能源是否可從自然界得到補(bǔ)充，又可分為可再生能源和非再生能源兩大類。太陽能、水能、生物質(zhì)能（柴草）、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)岬瓤梢詮淖匀唤绲玫窖a(bǔ)充，稱為可再生能源；煤炭、石油、天然氣等化石燃料，鈾、釷等核燃料是億萬年前地殼運(yùn)動(dòng)形成，用一點(diǎn)少一點(diǎn)，稱為非再生能源。第二類是地球本身蘊(yùn)藏的能量。如地球內(nèi)部的地10二.常用能源

目前煤炭、石油、天然氣，水力，核能在能源結(jié)構(gòu)中占主要地位。煤炭是遠(yuǎn)古時(shí)代廣袤的森林，石油、天然氣則是低等動(dòng)物在地殼變動(dòng)時(shí)埋于地下，處在缺氧、高溫、高壓環(huán)境下，歷經(jīng)漫長的地質(zhì)年代演變而成。煤炭主要成分碳占60-90%，氧占4-8%，每燃燒1kg煤大約可產(chǎn)生1.08×107-3.34×107J的熱量。煤炭既是燃料又是重要的化工原料。第一次工業(yè)革命使世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，即從以木材等薪炭為主轉(zhuǎn)到以煤炭為主。1.煤炭二.常用能源目前煤炭、石油、天1120世紀(jì)20年代，世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生第二次大轉(zhuǎn)變，即從以煤炭為主轉(zhuǎn)向石油、天然氣。到20世紀(jì)中葉，在工業(yè)化國家煤炭退位于石油、天然氣。

面臨能源危機(jī)，許多國家又把希望寄托于煤炭。世界探明的煤炭儲量比石油豐富得多,但是我們在下面會(huì)討論到煤炭運(yùn)輸成本高，燃燒時(shí)帶來的大氣污染問題，為此研發(fā)煤的汽化和液化技術(shù)。

煤的汽化：是在一定的溫度和壓力下，通過汽化劑以一定的流動(dòng)方式將煤轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w的過程，煤氣中有用的成分是H2、CO、CH4（甲烷）等。20世紀(jì)20年代，世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生第二次大12煤空氣、水蒸汽低熱值煤氣（民用煤氣）煤氧氣、水蒸汽中熱值煤氣甲烷高熱值煤氣煤炭的汽化可將所有種類的煤轉(zhuǎn)化為用途廣泛的民用煤氣、化工合成原料氣、工業(yè)燃料氣等。

煤的液化：直接液化是煤在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο拢呋託淞鸦梢簯B(tài)烴，在反應(yīng)過程中脫除氮、氧、硫等。間接液化是利用煤炭汽化產(chǎn)品為原料氣，經(jīng)凈化后進(jìn)行改質(zhì)反應(yīng)，調(diào)整H2與CO的比例，制成液體產(chǎn)品。煤空氣、水蒸汽低熱值煤氣（民用煤氣）煤氧氣、水蒸汽中熱值煤氣13

2.石油主要成分是碳?xì)浠衔锖蜕倭垦趸铩⒘蚧锏鹊幕旌衔?。燃燒一公斤石油可產(chǎn)生4.090×107-4.514×107J的熱量，熱值比煤高。用蒸餾和裂化等方法可提煉出汽油、煤油、柴油、重油等不同沸點(diǎn)的石油產(chǎn)品。19世紀(jì)末以來，石油的需求量大增。據(jù)估計(jì)，世界大型和超大型油田的儲量正以每年4%到6%的平均速度減少（2004.4.8《南方周末》報(bào)）。目前人們已經(jīng)向海底尋找開采石油，利用煤炭生產(chǎn)石油。煤炭和石油都是以碳和氫為主的化石燃料，煤經(jīng)液化后可以相應(yīng)分餾出各種石油產(chǎn)品。還可以從植物中、廢棄物中提取石油。2.石油目前人們已經(jīng)向海底尋找開14

快速增長的中國經(jīng)濟(jì)對石油的需求越來越大，2003年GDP增長9.1%，是建立在日消耗石油達(dá)546萬桶基礎(chǔ)上。這個(gè)數(shù)字意味著，中國的石油消耗量位于全球之二，僅次于美國。2003年中國進(jìn)口9100萬噸原油，較2002年增長31%。據(jù)估計(jì)，交通領(lǐng)域消耗了我國50%的石油用量。提高能源使用效率，減少在汽車方面的能耗，采用燃料電池為主發(fā)展汽車工業(yè)可能是一條路。

燃料電池是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電方法。燃料電池由燃料、氧化劑、電極、電解液四部分組成。燃料有氫、甲醇、液氨、天然氣等。燃料、氧化劑在電極上與電解液進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)，在反應(yīng)快速增長的中國經(jīng)濟(jì)對石油的需求越來越大，20015中放出電子，形成電流。就產(chǎn)生電流上燃料電池與一般電池類似。只是一般電池的反應(yīng)物是預(yù)先放在電池中，消耗完電池的壽命結(jié)束；而燃料電池的反應(yīng)物質(zhì)是貯存在電池以外，當(dāng)燃料和氧化劑源源不斷地輸入電池時(shí)，電流連續(xù)輸出。

三.天然氣天然氣是可燃的低分子量的烷烴氣體混合物，主要成分是甲烷、乙烷和少量丙烷、丁烷。天然氣燃燒時(shí)不產(chǎn)生灰渣，產(chǎn)生的二氧化碳量少（比石油少50%，比煤炭少75%）使用方便、可液化，即可瓶裝也可經(jīng)管道輸送。西氣東送。中放出電子，形成電流。就產(chǎn)生電流上燃料電池與一般電池類似。只16

4.水力水能是天然水流具有的勢能和動(dòng)能。地球上的水在太陽的照射下受熱蒸發(fā)，水汽上升到高空成為云，在一定條件下凝成雨、雪落到地面匯集成江、河，形成循環(huán)的可再生能源。水力發(fā)電是讓水沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。隨著水輪機(jī)技術(shù)的改進(jìn)，尤其是發(fā)電機(jī)和輸電技術(shù)的發(fā)展，水力發(fā)電已成為電力的重要組成部分。我國的水力資源大量蘊(yùn)藏在西南地區(qū)，在西部大開發(fā)中建設(shè)梯級水電站和坑口電廠，實(shí)施西電東送工程，將有助解決東部能源問題。4.水力17

5.生物質(zhì)能生物質(zhì)能又稱為“綠色能源”，它是指通過植物的光合作用，將太陽的輻射能量以生物質(zhì)能的形成固定下來，生物質(zhì)能來源于太陽能，是取之不盡的可再生能源。地球上的生物質(zhì)能種類繁多，木材、農(nóng)作物秸桿、動(dòng)物排泄物、江湖沉積物、農(nóng)產(chǎn)品加工的有機(jī)廢料、垃圾中的有機(jī)物等，生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換技術(shù)大體分為三類：

(1

)

直接燃燒獲取熱量這是最簡單的方法，如柴草灶、垃圾發(fā)電。但轉(zhuǎn)換效率低，污染環(huán)境。5.生物質(zhì)能(1)直接18

(2)生物轉(zhuǎn)換技術(shù)以自然或人工方法，將生物質(zhì)通過微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)換為液體或氣體燃料。我國農(nóng)村廣泛使用的“沼氣”是以農(nóng)作物秸桿、動(dòng)物排泄物、農(nóng)產(chǎn)品加工后的有機(jī)廢料通過甲烷細(xì)菌發(fā)酵后產(chǎn)生的以甲烷為主，含有二氧化碳、氮?dú)獾鹊幕旌衔?。這是解決農(nóng)村能源的最有效的辦法。按2004年的報(bào)道，我國農(nóng)村已有一千多萬戶使用沼氣，位居世界第一。我國在吉林建設(shè)了60萬噸乙醇生產(chǎn)線，原理是用玉米發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，將乙醇添加汽油變性生成乙醇燃料，再以10%的比例兌到普通汽油中生成乙醇燃料汽油。(2)生物轉(zhuǎn)換技術(shù)以自然或人工方法，將生物19

(3)化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)通過化學(xué)方法使生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成燃料物質(zhì)，化學(xué)方法目前有三種：有機(jī)溶劑提取法、汽化法、熱分解法。§7-3能源危機(jī)和新能源開發(fā)

一.能源危機(jī)資源枯竭環(huán)境污染資源枯竭資源不可再生。高品質(zhì)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榈推焚|(zhì)的能量是不可逆的。(3)化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)通過化學(xué)方法使生物質(zhì)轉(zhuǎn)換20環(huán)境污染：污染物主要是CO2，SO2，NO等溫室效應(yīng)CO2濃度升高，妨礙地球散熱，導(dǎo)致全球變暖。SO2造成酸雨危害。NO等氮氧化合物破壞臭氧層。目前最關(guān)注的新能源是，太陽能、氫能和核能。

二.太陽能、氫能和核能

1.太陽能太陽是一顆熾熱的恒星，輻射功率為3.8×1023KW，到達(dá)地球表面的輻射功率達(dá)8×1013KW，相當(dāng)于目前地球上總發(fā)電功率的8萬倍。太陽能是清潔的可再生能源。環(huán)境污染：污染物主要是CO2，SO2，NO等溫室效應(yīng)C21太陽能的直接利用大致有三種形式：(1)光電轉(zhuǎn)換利用太陽能電池可將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能，用半導(dǎo)體材料制成的光電池已進(jìn)入實(shí)用階級。如單晶硅電池、多晶硅電池、硫化鎘電池、砷化鋅電池等。我國1971年發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星上已開始使用太陽能電池，高效砷化鎵電池已在1990年發(fā)射的風(fēng)云一號氣象衛(wèi)星上使用。較常用的是硅電池，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)13%-17%。在宇宙空間的效率可更高。照射在沙漠上的太陽能十分豐富，如果利用照射在撒哈拉沙漠太陽能的1%，就可獲得比現(xiàn)在全世界能耗大得多的能量。太陽能的直接利用大致有三種形式：(22(2)光熱轉(zhuǎn)換昆明幾乎家家都用的太陽能熱水器就是直接利用太陽的輻射能量的光-熱轉(zhuǎn)換裝置。裝置又可分為平板式和聚光式兩種。太陽能熱水器的集熱器是平板式的，用水作為傳熱的介質(zhì)。太陽灶和太陽能高溫爐是拋物面型反射聚光式的，利用拋物面反射鏡使聚焦處得到較高溫度。為提高光-熱轉(zhuǎn)換效率，在集熱器表面涂上涂層。在利用太陽能發(fā)電時(shí)，為克服夜間陰天無陽光的困難，采用“熔鹽儲能”的方式。在晴天時(shí)，把熱能輸入熔鹽，使熔鹽吸熱熔化，把太陽能儲存起來；當(dāng)熔鹽凝結(jié)時(shí)，貯存的熱量釋放出來，達(dá)到均衡供電。(2)光熱轉(zhuǎn)換昆明幾乎家家都用的23(3)光化學(xué)轉(zhuǎn)換光化學(xué)電池是利用光照引起化學(xué)反應(yīng)，使電解液內(nèi)形成電流而供電的電池。利用太陽能分解水制氫也是較理想的方法，因?yàn)闅涫且环N無污染的高效能源。另外植物的光合作用對太陽能的利用率極高，采用仿生技術(shù)，模擬光合作用一直是科學(xué)家追求的目標(biāo)，一旦對光合作用的模擬成功，就可使人造糧食，人造燃料獲成功。人們還設(shè)想，建立“宇宙太陽能站”收集陽光。宇宙太陽能站，按一定軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，太陽能通過光電池轉(zhuǎn)換為電能，用微波發(fā)生器把電能轉(zhuǎn)換為微波，以集束的形式把微波發(fā)回地面接收站，地面再將微波轉(zhuǎn)為電能。(3)光化學(xué)轉(zhuǎn)換光化學(xué)電24

2．氫能①熱值高。除了核能之外燃燒值比其它化石燃料高，燃燒1公斤氫，可獲得6000千焦耳熱量，約是汽油熱值的3倍。②易燃燒。燃燒速度快，有利于獲得高的功率。③來源廣。氫除了存在于空氣外，主要存在于水中。海水中的氫可以說是取之不盡的。④氫燃燒后只生成水和少量氮的氫化物，而少量的氮的氫化物經(jīng)處理也不會(huì)污染環(huán)境。氫能屬于能量大、使用方便、方便運(yùn)輸、來源豐富和沒有污染的能源，氫作為能源有以下優(yōu)點(diǎn)：

氫作為燃料電池的燃料可以用來發(fā)電。

2．氫能①熱值高。除了核25開發(fā)利用氫能會(huì)碰到兩個(gè)難題：一是要尋找一種廉價(jià)易行的氫的制備工藝；二是要解決氫氣的儲存問題，最理想的辦法是利用太陽熱分解制氫。

3.核能的和平利用核能俗稱原子能，是指原子核在裂變或聚變時(shí)放出的結(jié)合能。

（1）核裂變能目前主要是利用235U的裂變。設(shè)計(jì)了可以控制核反應(yīng)的裝置——原子核反應(yīng)堆。

①熱中子轉(zhuǎn)換堆以濃縮鈾235U為燃料,通過原子核與快中子彈性碰撞，開發(fā)利用氫能會(huì)碰到兩個(gè)難題：一是要尋找一種26將快中子慢化為熱中子。熱中子堆又可分為輕水堆（包括壓水堆，沸水堆）、重水堆和氣冷堆，但熱中子轉(zhuǎn)換堆的鈾利用率低，只有1%-2%的能量被利用了。目前大多數(shù)運(yùn)行的反應(yīng)堆都屬此堆型。②增殖反應(yīng)堆為了引起裂變反應(yīng)，必須首先具備引發(fā)裂變反應(yīng)的中子，引發(fā)裂變反應(yīng)的中子的能量不同，增殖反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)也不同，一般分為“熱中子增殖反應(yīng)堆”和“快中子增殖反應(yīng)堆”。235U在自然界的含量只占天然鈾的0.72%，所以又設(shè)計(jì)了新的核反應(yīng)堆——增殖反應(yīng)堆，使迄今尚未大量利用的核燃料238U和232Th發(fā)生核裂變。將快中子慢化為熱中子。熱中子堆又可分為輕水堆（包括壓水堆，沸27

核燃料235U，雖然存在于天然鈾中但含量僅為0.72%,其余都是與中子反應(yīng)概率很小的238U,用235U作核燃料要對天然鈾進(jìn)行濃縮。但由于235U與238U原子在大小和重量上都相差很小，所以濃縮過程既困難又消耗能量。我國的秦山核電站1991年12月15日第一期工程建成并網(wǎng)發(fā)電是熱中子轉(zhuǎn)換型中的壓水堆型。廣東大亞灣核電站1992年1月2日試運(yùn)行成功，1993年8月正式投入運(yùn)行。近期又有嶺澳核電站投入使用。核燃料235U，雖然存在于天然鈾中但含量僅28

（2）核聚變能

是利用輕原子核（氘或氚）在極高溫度（幾千萬開或上億開）下聚合成較重原子核（如氦）的過程中釋放的能量。在高溫下物質(zhì)進(jìn)入等離子狀態(tài)，即成為熾熱的電離氣體。這時(shí)輕原子核運(yùn)動(dòng)的速度快到足以聚合起來。聚變反應(yīng)充分進(jìn)行后，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高溫足以維持反應(yīng)。

聚變反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是：①燃燒產(chǎn)生的能量大，1kg氘和氚相當(dāng)于1萬噸的優(yōu)質(zhì)煤。②地球上儲量豐富，1L水中含0

.03g氘，這些氘通過熱核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)300L汽油的。③污染小。（2）核聚變能聚變反應(yīng)的29氫彈是利用核聚變制成，但它的能量是一下子釋放。要和平利用核聚變能，就要使熱核反應(yīng)的能量有控制地釋放。在1億度高溫下，氘、氚燃料是“高溫等離子體”，任何容器都無法承受此高溫，因此要有辦法盛裝和約束等離子體。有兩種途徑：一是磁約束。用強(qiáng)磁場將低密度的氘、氚核長時(shí)間約束在預(yù)先充滿等離子體的空間中，將等離子體與容器隔離，熱能也就很好地保存地等離子體中。二是慣性約束。用燃料自身的慣性，在極短的時(shí)間內(nèi)（如10-10s）使某一氘氚混合的小球迅速升溫升壓，使其發(fā)生微型爆炸式的聚合反應(yīng)。氫彈是利用核聚變制成，但它的能量是一下子釋放30人們正在探索激光引發(fā)核聚變反應(yīng)。激光能量高度集中，將激光束聚集在聚變物質(zhì)的表面，使物質(zhì)變成等離子體，并使其溫度上升到產(chǎn)生熱核反應(yīng)的溫度。在激光脈沖持續(xù)的約10-9s的時(shí)間內(nèi)，熱能來不及從加熱物質(zhì)散開，就不必采用約束的方法。人們正在探索激光引發(fā)核聚變反應(yīng)。激光能量高31

（3）核能利用的安全性提起核能，人們會(huì)想到原子彈、氫彈，擔(dān)心是否安全，前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站的放射性泄漏事故更增加了對安全利用核能的擔(dān)憂。事實(shí)上，核電站的運(yùn)行是有安全保障的。以我國的秦山核電站為例，秦山核電站是壓水堆式的，用高壓含硼水作為慢化劑和冷卻劑，高壓水通過堆芯加熱后仍是高壓水，通過蒸汽發(fā)生器交換熱量，產(chǎn)生蒸汽用來發(fā)電。所使用的核燃燒是低濃度的二氧化鈾（濃度為2.4%-3%）。這是國際上應(yīng)用最廣泛、安全性最好的一種堆型。（3）核能利用的安全性提起核能，32秦山核電站還設(shè)有三道安全屏障：第一道屏障——燃料包殼核燃料芯塊是被疊裝在鋯合金管中，管子被密封起來，組成燃料元件棒，鋯管可把裂變產(chǎn)生的放射物質(zhì)密封在里面。第二道屏障——壓力殼在鋯管外面有一壓力殼，厚度為175毫米，萬一鋯管燃料殼密封被破壞，放射性物質(zhì)只會(huì)泄漏到高壓含硼水中，不會(huì)再擴(kuò)散。第三道屏障——安全殼秦山核電站還設(shè)有三道安全屏障：33安全殼是一個(gè)頂部為球形的圓柱形預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土建筑物，內(nèi)徑約36米，外徑38米，高62.5米，壁厚1米，內(nèi)襯一層6毫米厚鋼板，一旦前兩屏障失去作用，安全殼能可靠地把放射性物質(zhì)包含在里面。1986年4月26日前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生的事故是迄今為止世界核電史上最嚴(yán)重的一次事故，據(jù)調(diào)查，事故原因除了管理不善，違反安全規(guī)范外，還因?yàn)樵摵苏静捎?/p>