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(guó)家的能源結(jié)構(gòu)、能源政策、能源儲(chǔ)備不僅與人民日常生活息息相關(guān)，也維系著國(guó)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(duì)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(shí)、開(kāi)發(fā)、利用能源的科學(xué)知識(shí)體系。第七章能源1從物理學(xué)的角度看認(rèn)識(shí)和開(kāi)發(fā)能源是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論上的探索發(fā)現(xiàn)新的儲(chǔ)能方式和儲(chǔ)能物體。利用能源是使能源儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)換為其它形式儲(chǔ)存的能量，并在轉(zhuǎn)換過(guò)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(méi)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(shì)。從物理學(xué)的角度看認(rèn)識(shí)和開(kāi)發(fā)能源是通過(guò)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(guò)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(guò)程不同，常見(jiàn)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(guò)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(chǎng)（定子）中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。例如可將水的勢(shì)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(guó)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(guò)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(chǎng)中，且與磁場(chǎng)方向垂直。當(dāng)導(dǎo)電氣流進(jìn)入通道時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)和氣流的方向產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，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(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)；另一組旋轉(zhuǎn)稱為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子通以電流，在定子的磁場(chǎng)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(guò)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(jiàn)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(yáng)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(yáng)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(chǎng)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(duì)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(lái)源可分為三類：來(lái)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(lái)自地球外天體的能量，主要是太陽(yáng)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(lái)源于太陽(yáng)。相對(duì)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(chǔ)存的核裂變能，海洋中氘、氚儲(chǔ)存的核聚變能等。第三類是由于地球和月亮、太陽(yáng)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(yáng)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(wàn)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(zhǎng)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(guó)家煤炭退位于石油、天然氣。

面臨能源危機(jī)，許多國(guó)家又把希望寄托于煤炭。世界探明的煤炭?jī)?chǔ)量比石油豐富得多,但是我們?cè)谙旅鏁?huì)討論到煤炭運(yùn)輸成本高，燃燒時(shí)帶來(lái)的大氣污染問(wèn)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(guò)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(guò)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?，催化加氫裂化成液態(tài)烴，在反應(yīng)過(guò)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?、硫化物等的混合物。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(lái)，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(chǔ)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(kāi)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(kāi)14

快速增長(zhǎng)的中國(guó)經(jīng)濟(jì)對(duì)石油的需求越來(lái)越大，2003年GDP增長(zhǎng)9.1%，是建立在日消耗石油達(dá)546萬(wàn)桶基礎(chǔ)上。這個(gè)數(shù)字意味著，中國(guó)的石油消耗量位于全球之二，僅次于美國(guó)。2003年中國(guó)進(jìn)口9100萬(wàn)噸原油，較2002年增長(zhǎng)31%。據(jù)估計(jì)，交通領(lǐng)域消耗了我國(guó)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(zhǎng)的中國(guó)經(jīng)濟(jì)對(duì)石油的需求越來(lái)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(shì)能和動(dòng)能。地球上的水在太陽(yáng)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(guó)的水力資源大量蘊(yùn)藏在西南地區(qū)，在西部大開(kāi)發(fā)中建設(shè)梯級(jí)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(wèn)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(guò)植物的光合作用，將太陽(yáng)的輻射能量以生物質(zhì)能的形成固定下來(lái)，生物質(zhì)能來(lái)源于太陽(yáng)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(jiǎn)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(guò)微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)換為液體或氣體燃料。我國(guó)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(guò)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(guó)農(nóng)村已有一千多萬(wàn)戶使用沼氣，位居世界第一。我國(guó)在吉林建設(shè)了60萬(wàn)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(guò)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?！?-3能源危機(jī)和新能源開(kāi)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(guò)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(yáng)能、氫能和核能。

二.太陽(yáng)能、氫能和核能

1.太陽(yáng)能太陽(yáng)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(wàn)倍。太陽(yáng)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(yáng)能的直接利用大致有三種形式：(1)光電轉(zhuǎn)換利用太陽(yáng)能電池可將太陽(yáng)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(jí)。如單晶硅電池、多晶硅電池、硫化鎘電池、砷化鋅電池等。我國(guó)1971年發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星上已開(kāi)始使用太陽(yáng)能電池，高效砷化鎵電池已在1990年發(fā)射的風(fēng)云一號(hào)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(yáng)能十分豐富，如果利用照射在撒哈拉沙漠太陽(yáng)能的1%，就可獲得比現(xiàn)在全世界能耗大得多的能量。太陽(yáng)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(yáng)能熱水器就是直接利用太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)灶和太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電時(shí)，為克服夜間陰天無(wú)陽(yáng)光的困難，采用“熔鹽儲(chǔ)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(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)熔鹽凝結(jié)時(shí)，貯存的熱量釋放出來(lái)，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(yáng)能分解水制氫也是較理想的方法，因?yàn)闅涫且环N無(wú)污染的高效能源。另外植物的光合作用對(duì)太陽(yáng)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(duì)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(yáng)能站”收集陽(yáng)光。宇宙太陽(yáng)能站，按一定軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，太陽(yáng)能通過(guò)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(lái)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(shuō)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(lái)源豐富和沒(méi)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(lái)發(fā)電。

2．氫能①熱值高。除了核25開(kāi)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(chǔ)存問(wèn)題，最理想的辦法是利用太陽(yáng)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(guò)原子核與快中子彈性碰撞，開(kāi)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?jī)H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(duì)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(guò)程既困難又消耗能量。我國(guó)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?jī)H28

（2）核聚變能

是利用輕原子核（氘或氚）在極高溫度（幾千萬(wàn)開(kāi)或上億開(kāi)）下聚合成較重原子核（如氦）的過(guò)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(lái)。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(wàn)噸的優(yōu)質(zhì)煤。②地球上儲(chǔ)量豐富，1L水中含0

.03g氘，這些氘通過(guò)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(wú)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(chǎng)將低密度的氘、氚核長(zhǎng)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(lái)不及從加熱物質(zhì)散開(kāi)，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(duì)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(guó)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(guò)堆芯加熱后仍是高壓水，通過(guò)蒸汽發(fā)生器交換熱量，產(chǎn)生蒸汽用來(lái)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(guó)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(lái)，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(wàn)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>