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主要内容 n一、能源的相关概念。 n二、可开发的新能源种类 1、原子核能 2、太阳能 3、风能 4、海洋能 5、地热能 6、氢能 7、生物质能 一、能源的相关概念 1、能源的概念 能源(Energy):是自然界中能为人类提供 某种形式能量的物质资源。人类社会的存在与发 展离不开能源。 2、化石能源的概念 化石能源(Fossil energy):是千万年前埋 在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的,如 煤炭、石油、天然气等。 随着大规模的开采,化石能源的枯竭在所难 免,大部分化石能源在本世纪将被开采殆尽。 3、能源危机与环境压力 全世界消耗的能源中,石油最多,占到35% ,煤炭占到29%,天然气占到24%,核电占5%。目 前全世界消耗的能源主要是化石能源。根据目前 国际上通行的预测,石油能源可用40年,天然气 60年内枯竭,煤炭也只能用220年。 化石能源的消耗也带来两个严重问题:一个 是环境污染,另一个就是气温上升。环境污染主 要是二氧化硫和氮氧化物,还包括开采、运输时 造成的环境污染。二氧化碳等温室气体的排放也 大幅度增加致使地球在过去100年里平均气温上 升0.30.6,全球海平面平均上升1025cm。 4、能源结构变化的趋势 从全球来讲,加快能源结构的转变,就 是要从现在的以化石能源为主,不断转向以 新能源或是以可再生能源为主的时代,由清 洁能源替代污染能源,最终进入低碳能源或 无碳能源的时代。 中国为了推动可再生能源发展,2006年 就制定了可再生能源法,这几年发展很 快,每年风电发电量成倍增长。新能源产业 受到政策支持,我国新能源以太阳能和风能 为开发重点,核电、潮汐发电、地热发电等 发展也非常快。 u 5、新能源的概念 u新能源(New energy):是指近几十年来人类 采用新技术开发的可再生能源。 u如:原子核能、太阳能、风能、海洋能、生物 质能和氢能等。 u6、可再生能源(Renewable Energy):在自 然界中可以不断再生并有规律地得到补充的能源 ,称之可再生能源。 u新能源和可再生能源的区别: 新能源一般包括了可再生能源,但是新能源不一 定就是可再生能源。例如:核能属于新能源,但 是不属于可再生能源。 u7、新能源技术的概念 u新能源技术(New energy technology) :是指近几十年来人类对于可再生能源的开 发应用技术。主要包括对原子核能、太阳能 、风能、海洋能、生物质能和氢能等的利用 技术。 u新能源可以再生,对环境影响小,但对开 发的技术要求高。 8、开发发和利用新能源的意义义是什么? 新能源的开发和利用,虽短期成本 较高,长期将占优势,能大量节省能源 ,大幅减少污染,提高人民生活的质量 ,获得显著的经济和环保效益。新能源 的开发和利用将从根本上解决能源问题 。 (新能源正在塑造未来的世界形态 ,未来属于领先新能源技术的国家。因 此,了解和掌握新能源,就是拥抱未来 。) 9、可开发的新能源种类 (1)原子核能 (2)太阳能 (3)风能 (4)海洋能 (5)地热能 (6)氢能 (7)生物质能 图为:太阳能热水器 10、世界各国的新能源开发及利用情况 美国:太阳能、风能首当其冲 。 日本:太阳能铺就新能源路 。 英国:风能、核能并举 。 丹麦:靠风“驱动”的国家。 芬兰:生物能源独辟蹊径 。 冰岛:利用地热。 挪威:借风发展“氢经济”。 埃及:新能源发展首选核能。 (一)原子核能(Nuclear Energy) 1、原子核能的概念及种类 (1)原子核能的概念 原子核能:是原子核结构发生变化时释 放出的能量,习惯上称作核能或原子能。 (2)核反应的概念 核反应(The nuclear reaction):人 工制造的原子核结构变化过程。 二、可开发的新能源种类 (3)核反应的种类 核裂变反应:是重元素的原子核发生 分裂的反应。 核聚变反应:是氢元素的原子核发生 聚合的反应。 核反应 种类 这两种反应所释放出来的巨大能量,在原 子弹爆炸(核裂变)和氢弹爆炸(核聚变 )中得到了证明。 (4)核裂变反应(Nuclear Fission) n核裂变:重金属元素铀-235的原子核吸收一个 中子后产生核反应,使这个重原子核分裂成两 个(极少情况下会是3个)更轻的原子核以及2 -3个自由中子,还有和射线和中微子,并 释放出巨大的能量,这一过程称为核裂变。 n1千克铀-235的全部核的裂变将产生20,000兆 瓦小时的能量(足以让20兆瓦的发电站运转 1,000小时),与燃烧300万吨煤释放的能量一 样多。 n核裂变产生的粒子辐射是质子辐射,穿透性 较强。 n射线是光子辐射,穿透性最强。 辐射会伤害人体,剂量过大会使人呕吐、头晕 ,辐射会让细胞、甚至基因受损,影响新陈代 谢,严重的会直接杀死细胞;裸露皮肤与放射 性物体接触后会造成皮肤癌等各种辐射病,无 药可治。 n核辐射同样引起植物的异常生长。 (5)裂变的链式反应(The fission chain reaction) n裂变的链式反应:当中子轰击铀-235原子 核时,一部分铀-235原子核吸收中子而发 生裂变。如果铀-235核裂变产生的中子又 去轰击另一个铀-235将再引起新的裂变, 如此不断地持续进行下去,就是裂变的链 式反应。 n图为:重核裂变的 链式反应图 。 (6)核聚变反应(Nuclear Fusion) n核聚变(又称核融合):是指由质量小的原 子,比方说氘和氚,在一定条件下(如超高 温和高压),发生原子核互相聚合作用,生 成中子和氦-4,并伴随着巨大的能量释放的 一种核反应形式。 n氘(dao):氢的同位素之一。 也叫重氢。 n氚(chuan):氢的同位素 之一,也叫超重氢。 图为:核聚变示意图。 n核聚变反应主要借助氢同位素,核聚变不 会产生核裂变所出现的长期和高水平的核 辐射,不产生核废料,当然也不产生温室 气体,基本不污染环境。 (7)核反应堆(Nuclear Reactor) n核反应堆:是一种启动、控制并维持核裂变 或核聚变链式反应的装置。 n相对于核武爆炸瞬间所发生的失控链式反应 ,在反应堆之中,核变的速率可以得到精确的 控制,其能量能够以较慢的速度向外释放,供 人们利用。 n核反应堆的用途:最重要的是产生热能,用 以代替其他燃料,产生蒸汽发电或驱动航空母 舰等设施运转。当前(截至2011年)全部商业 核反应堆都是基于核裂变的,其裂变产物可以 生产核武器之中使用的钚。 2、原子核能的利用 原子弹爆炸 核电站 (1)原子弹 (The atomic bomb) 原子弹中的核燃料是高浓缩铀(浓度达 93%)或钚。将弹壳内铀块(或钚块)分成各自 低于临界质量的两部分,但总质量超过临界质 量。原子弹爆炸时,首先引爆装在铀燃料外部 的普通TNT炸药层,其冲击力会把两块铀235压 聚在一起,超过临界质量的铀块立即会产生雪 崩似的链式反应,即发生核爆炸。 临界质量:在一定体积内,铀应具有足够的 量维持链式反应,这最低的量叫做临界质量。 核子武器在引爆以前必须维持在次临界。 铀235临界质量为52kg,钚239为10kg。 原子弹示意图 图为:原子弹爆炸 9月3日! 合法拥核国家:中国、 美国、俄罗斯、 法国、 英国。 非法拥核国家:印度、 巴基斯坦、朝鲜 。 匿核国家: 以色列、伊 朗、日本 。 (2)氢弹(hydrogen bomb) n氢弹:核武器的一种,是利用原子弹爆炸 的能量点燃氢的同位素氘、氚等质量较轻 的原子的原子核发生核聚变反应(热核反 应)瞬时释放出巨大能量的核武器,又称 聚变弹 、热核弹、热核武器。 氢弹的示意图 氢弹爆炸 n氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同,但威力比 原子弹大得多。 n原子弹的威力通常为几百至几万吨级TNT当量, 氢弹的威力则可大至几千万吨级TNT当量。其战 术、技术性能比原子弹更好,用途更广泛,其爆 炸达到的温度约为3.5亿度,远远高于太阳中心 温度(约1500万度)。 n放射性污染较严重。 图为:氢弹爆炸。 (3)核电站(nuclear power plant ) 核电站:是利用原子核裂变反应放出的核能 来发电的装置。 右图:英国 的原子能发 电站。 核电站主要由两部分组成 n核岛:是反应装置及冷却装置,其核心为 一个反应堆,是维持和控制核裂变反应的 装置,在内部实现核能转换为热能。释放 出的热能由一回路系统冷却剂带出,用以 产生蒸汽。整个闭路系统被称为核蒸汽供 应系统,也叫核岛,相当于常规火电厂的 锅炉系统。 n常规岛:由蒸汽驱动汽轮发电机组进行发 电的二回路系统,与常规火电厂的汽轮机 发电机系统基本相同,也称作常规岛。 核电站示意图 1千克铀235的原子核所释放出来的热量,大 约相当于2800吨(2800000千克)标准煤燃烧时 所放出的热量。 建造一座发电量为100万千瓦的电站,如果 是核电站,每年需要补充的核燃料为30吨,六 辆解放牌载重汽车就可运进。 如果是烧煤的火力电站,每年要消耗300多 万吨煤。运输这些煤炭,平均每天要用20吨的 大卡车运480车才够;或要开三列火车,每列火 车挂40节车皮;或是每天要开一艘万吨级的轮 船。 u原子核能的利用价值 核能发电 1954年 苏联建成了世界上第一座核电站 奥布灵斯克核电站 苏联的核能灯塔 世界核电站分布图 (2014 ) 在去年全世界正在运行的核电站中,美国最 多,达104座;法国59座,英国和俄罗斯也都 在30座以上。目前世界最大的核电站是日本 福岛核电站,总装机容量8814万千瓦, 2011 年3月11日因地震、海啸发生爆炸。 世界各国核电站数量排名(2014) 排名 国家和地区 运营核电站 数量 在建核电站 数量 筹建核电站 数量 1 美国104111 2 法国5811 3 俄罗斯331017 4 韩国(ROK) 2345 5 印度20718 6 加拿大1732 7 英国1604 8 中国大陆152551 9 乌克兰1502 10 瑞典1000 11 德国900 12 西班牙800 13 比利时700 14 捷克602 15 中国台 湾 621 16 瑞士500 17 芬兰410 18 匈牙利400 19 斯洛伐 克 420 20 巴基斯 坦 320 中国国家发展改革委员会正在制定中国 核电发展民用工业规划,准备到2020年中国 电力总装机容量预计为9亿千瓦时,核电的比 重将占电力总容量的4%,即是中国核电在 2020年时将为3600-4000万千瓦。 也就是说,到2020年中国将建成40座相 当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。 3、我国核能发展趋势 中国2014年核电站分布图 位于广东省深圳 市龙岗区大鹏半 岛大亚湾核电站 。 2003年建成,地处浙江省海盐县。2015年 1月现有的9台机组全部投产发电,总装机容 量达到656.4万千瓦,年发电量约500亿千瓦 时。目前国内核电机组数量最多、堆型最丰 富、装机最大的核电基地。 图为:秦山核电站 中国秦山核电站 1986年4月26日切尔诺贝利核事故!乌克兰 普里皮亚季邻近的切尔诺贝利核电厂的第四号 反应堆发生了爆炸。连续的爆炸引发了大火并 散发出大量高能辐射物质到大气层中,爆炸最 终导致20多万平方公里的土地 受到污染。所释放出的辐射线 剂量是二战时期爆炸于广岛的 原子弹的400倍以上。 被称作历史上最严重的核电事故。 切尔诺贝利城因此被废弃。 核的灾难
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