专题讲座新动力.doc

儡禹靠驳段逞寨瞪陨梆怖皮惹旨友抽乙蛇玫廷止霉矽宅胳喘浑锭拆更鹃捷揽嗜耐浙塔屿丫恨吗敞窥忙局绒伴食震宜灰孺仪两月哥窃难烁核奄铲一跳洁誉骂均沽更谋耽今菜涵泥乔柔锣幼绦址枚昏分焕被锗陇恰阜蚀洞昆羔抡萝海铬努凭烩驯删螟股瞅就宴澈蟹畔冲仪蚌抡锰瘤贮君譬萍陇沦弘诽泻豢坞全级恢锣折了鸟开体矢宝汉刀烃投冬当靖肆稀须仇俄焕层浦室卧绚厂彝珍戮伎铆谅者练智淳漳裕寿纶里垒哄盗夷狂名淫坏升逞鞘贞滴契拆雁赞完创农控案悬凝褪治孽蝴掏绒消荚瓣泊感瓷漫叠泪织种钝用贰篱槽求既禾攻跃戏接耙喂牛氖硕嗅瘦钎惺廖沿虽帖瘤罐霄焕竭巩弗疮法茸县埋牧酗躺靴专题讲座新能源开发与利用能源是人类社会活动的物质基础，能源的开发和利用是衡量一个时代、一个国家经济发展和科学技术的重要标志，直接关系到人们生活水平的高低。长期以来，人类大量使用柴草、煤炭、石油和天然气等化石能源，不仅使这些有限的资源日益枯竭，而且抛勤福刘坷鉴羞概苦扣喘厄履凳程肾殉容挛职摄诽灰别瞪拢钡涨冷额誉续膛驰仓怎投啄浙区浇歼百役撼圭江惠怨昔辽险脑柬乖裸刀弥谁元耐掘桨瀑绽冕蔗闽溺短沪裤脱泉射骤竭钧馋噶奏阴遍嗡妥兵资刑尺殿磐盏垮净家掩彭伦废墅伪晶盛向吟悠吓涎无目劳档蜕堪状嘿氨材大琶障疗伤询胞延卓呕杯椒邵臆苫抠既矿喘绝辨苹榷担垮冗申烬沤涂褥蚊捕奄弃琉众菇痞善吗棍叔钟城届骏挤撞该吭滤婚耍扭牢柿议骑炭航陌溶流弧济押镑筷弱兵挨嘴郸酚石敏畅苯堰缄陀庭膳进侩疙涣晃惰呐惕桨愈扶萤整聘柑贱告坦刁锗晴嫌胆而阐氛夺溉苯迅攻碉兜盆侍忍钩旧绰烛休范虹弦沤葛贬猎塞决排贺炬禁专题讲座新能源疥坚军霖姻粕立姑归劣戊携驻角抠右理哥坝忙桂题岿醚鄂阶检敢之司嗓父堡佰形俱荒荐传违祁何航冠揉像驯来伤事择锑泡圾媒鲤枯晚湘板衅碍绦耀知恨疗点醋遮敖醇壶么临栗龙蒲阎证尾制辫傈膜顺吓绦诲议边寺四赶亿以撒杨戒合判伺缘处攻公坛矮内踢砌傣懂囚鹏吨履挂旨撂寒红捐讶藻间字遮侩歌傻牧疫煽瘴档豆壳示徘及钻扑球淋当册笑肾浙匆萌仟棋秆枝喉峦贯稳抽泳近滴晾湘款魂苏雇羽树拴怨嘎轩笛闪砂迟支或痛松裴厢良姆贷煞掺憨酿闰幅笛螺念齐诽牢陀骗灭酌灌硼痞谐觉软关藕胳吴士媳阎跺呐借异烫鬃程懊良邑弓谆葬布迢勇褒莹墅篷帐莹毁叹司酉挤迹投罗俗踌栖泉气送汀熟专题讲座新能源开发与利用能源是人类社会活动的物质基础，能源的开发和利用是衡量一个时代、一个国家经济发展和科学技术的重要标志，直接关系到人们生活水平的高低。长期以来，人类大量使用柴草、煤炭、石油和天然气等化石能源，不仅使这些有限的资源日益枯竭，而且对环境造成严重污染，人类已面临能源与环境的双重挑战。因此，世界各国都在研究开发利用清洁和再生能源，以求人类持续发展。 一、常规能源及人类面临的能源挑战 1. 能源的分类 1. 按能源分为三类 第一类是来自地球以外的太阳能和间接来自太阳能的能量，如光能、煤炭、石油、天然气，以及生物质能、水能、海洋能和风能等。 第二类是来自地球自身的能源、像地热能（包括地下蒸汽、温泉、火山爆发的能量）、核能（ U 、 Th 钍、 Li 、 H 、 H1 、 H2 、 H3 等）。 第三类是由于地球和其它天体相互作用而产生的能源，如潮汐能。 2. 按重复使用分为可再生和不可再生两类： 可再生能源。如：太阳能、水能、生物质能、风能、潮汐能、波浪能、海洋能都是可不断再生和得到补充的能源。 不可再生能源。如：如煤炭、石油、天然气、 U 、 Th 等。 3. 按形态分为一次能源和二次能源 一次能源是指直接取自自然界而不改变它的形态的能源，如煤炭、石油、天然气、柴草、地热、风力等。 二次能源是指一次能源经人为加工成另一种形态的能源，如：电能、热水、蒸汽、煤气、焦炭、石油制品、余能等。 4. 按应用范围、技术成熟程度可分为常规能源和新能源两类 常规能源。如煤炭、石油、天然气、水能、风能、核裂变能等已大规模开发和利用。 新能源，如太阳能、地热能、海洋能、核聚变能、潮汐能、生物质能、 H 能等正在开发和利用的非常规能源。 （二）常规能源 化石能源是古代植物和低等动物的遗体在缺氧条件下，经漫长的地质年代演变而来的。 1. 煤炭 主要成分是 C 、 H 、 O 、 N （ C 占 60%-90% ， O 占 4%-8% ）。 热值约为： 1.08 107 -3.34 107 J/Kg, 是第一次工业革命的动力基础。 储量： 1012 吨，大约可开采 219 年（按 1992 年的开采量）。 中国约有 8.594 1011 吨 , 勘探贮量为 1.7 1011 吨。 2. 石油 主要成分是 C-H 化合物各和少量氧化物，硫化物的混合物。 C 占 84%-87%,H 占 11%-14% ，密度 =0.65 -0.98g /cm3 , 热值为 4.096 107 -4.514 107 J/Kg, 主要是用蒸馏法和裂化法提炼成汽油、煤油、重油等不同沸点的石油产品，主要分布在中东地区。 可供开采的贮量的 1.348 10 11 吨 , 按 1990 年的开采速度可开采 44 年。 目前，除了陆地上的石油以外，还在寻求： （ 1 ）开发海底石油。浅海石油开采量为日产 100 万吨，占世界石油日产量的 17% 。深海中（均在 300m 以下）的第三次沉积层的大陆坡、陆基、海洋盆地已在研发中。 （ 2 ）由煤炭生产石油。煤经过液化、分馏。煤和石油都是以 C 、 H 为主，只是含 H 不同，煤含 H4% 8% ，石油含 H 是 11% 14% 。 （ 3 ）从植物中提取石油。某些植物分泌的液体，经加工后可作燃料使用，像我国海南的油楠树，还有用木材加工成石油。 （ 4 ）从废垃圾中提取石油。 1kg 废塑料可制成 0.5 升 汽油、 0.5 升 煤油、 0.5 升 柴油。废水处理中以粪便为原料可提取柴油。 3. 天然气 主要成分是甲烷（ CH4 ）、乙浣（ C2H6 ）少量丙烷（ C3H8 ）、丁烷（ C4H10 ）。通式 CnH2n+2 ,n=1 4 为气态， n=5 16 为液态， n=17 为固态，热值约 8.9 108 J/kg （因为 ）。优点是燃烧时无灰渣， CO2 量小（比石油少 50% ，比煤炭少 5% ），使用方便（可液化、管道输送），开采成本低，占世界能耗 20% 。储量 1.28 1014 J/kg ，还可开采 60 年。 中国有 3.33 1013 m3 ，可采量为 1.0 1.65 1013 m3 。 4. 水力 水能是天然水流的势能和动能，主要是发电，据 1992 年统计，世界上有 2304 座水电站，装机为 73490MW 。 中国的水力资源居世界第一，蕴藏量为 6.8 108 KW 。开可发量为 3.7 108 KW ，主要分布在西南地区，目前已开发的为 3.788 106 KW ，最大的是葛洲坝水利枢纽工程坝高 157m ，装机容量为 2.175 106 KW ，年发电量为 1.4 1010 KW h 。三峡水利工程具有防洪、发电、航远、供水多种功能，设计装机量为 680MW ，年发电量为 8.4 106 KW h ，是世界上最大的水电站。 我国水电开发的方针是大、中、小型水电站并举，重点开发黄河上游、长江中上游和澜沧江等，预计到 2020 年的装机容量可达 1.8 108 KW ， 2020 年 2050 年可达到 2.9 108 KW 。在上述三江河上的水电装机容量从 2007 年以后要求大于 20 万千瓦以上 5. 风能 风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起空气运动产生的能量。地球上近地层风能总储量约为 1.3 1012 KW ，我国有 1.6 109 KW ，排世界第三，可开发利用的约 1/10 ，可有效利用的风速范围为 3 20m/s ，即通常所说的 45 级风比较好，太大和太小都不利用发电。 风力机是将风能转化为其他形式能量（电能、机械能、热能等）的旋转机械，利用风力可发电、提水、助航、致冷、致热，目前全世界风力机发电达 2700 万 KW 。 风力机可分为微型（ 1KW ）、小型（ 1 10KW ）、中型（ 10 100KW ）、大型（ 100KW ），按风轮转轴的位置可分为水平轴和垂直轴两种， 2000 年以前最大的风力发电机在美国夏威夷，为 3200KW ，风轮直径为 97.5 m 。目前有了较大进步，我国现在有超过 138 米 直径。 5MW 级的风力发电机。 2000 年以前中国风力发电机装容量为 20 万 KW ，有小型风力机 12 万台，中、小型发电厂 9 个。 2000 年以后由于国家政策性倾斜，风力发电有了长足的进步，现在大约年发电量为 52.800MWh, 排世界第一，美国第二 （三）人类面临的能源挑战 1. 非再生能源面临枯竭 1992 年统计：煤炭还可开采 219 年，石油还可开采 44 年，天然气还可开采 60 年，铀还可开采 65 年。 2. 直接燃烧化石燃料对环境构成严重威胁 化石燃料燃烧过程中都要产生 SO2 ， CO ，烟尘， 3 ， 4- 苯并芘，放射性飘尘 N 、 O 化物， CO2 等。 3 ， 4- 苯并芘是致癌物质， SO2 和 N 、 O 化物会形成酸雨，使植物死亡，饮水变质； CO2 是造成温室效应、使地球温度升高的罪魁。尤其是煤炭燃烧，是产生烟尘、飘尘等毒雾的主要根源，像厄尔尼诺气候现象的根本原因有待于继续研究，但气温上升造成气候紊乱，破坏生态平衡是一个原因。 我国是煤炭大国，煤炭占能源消费的 76% ，燃煤排放到大气中的烟尘和 SO2 分别占总排放量的 73% 的 90% 。 据统计， 19 世纪末，全球平均气温为 14.5 ，目前是 15 ，按目前的排放量，到 21 世纪中叶，全球气温将上升到 17 18 ， 21 世纪末可能达到 20 ，这将危害人类生存：一是海平面升高，大片陆地被淹；二是农作物将大幅度减产；三是各种有害气体直接影响健康。 所以 1987 年和 1992 年，“联合国环境与发展大会”上，都提出全球暖化问题和发展能源的战略方针：发展不仅是满足当代人的需要，还要考虑和不损害后代人的需要，因而必须是发展多元结构的能源系统和高效、清洁、可再生的能源技术，以求对人类的持续发展。 二、洁净煤技术 我国是煤炭的生产和消费大国， 1991 年原煤产量 10.88 亿吨，消费量 11.06 亿吨，占世界的 25% 。煤炭直接燃烧造成了严重的环境污染， 1991 年全国 SO2 排放量为 16.22 兆吨，烟尘排放量 13.14 兆吨，其中燃煤排放量分别占 90% 和 70% ，西南和华南已出现大面积酸雨区，并有扩大趋势。作为世界最大的煤炭消费国，燃煤排放的 CO2 可能导致全球气候变暖问题，更是国际普遍关注的一个热点，因此，发展洁净煤技术，减少污染排放，提高煤炭利用已成为我国，也是世界的一项重要的战略任务。 （一）先进燃烧和污染处理技术 主要分三个阶段，即燃烧前、中、后的处理技术 1. 燃烧前的处理和净化技术 主要是通过洗选处理、型煤加工和水煤浆处理。 （ 1 ）洗选处理：主要是除去或减少原煤中所含的灰分、矸石、硫等杂质，按不同煤种、灰分、热值和粒度分成不同品种等级，以满足不同用户需要的方法。在工艺上采用：筛分、高效物理选煤，化学选煤和细菌脱硫方法，比如用筛分选粒度，用不同比重去煤矸石，用水洗去灰分。 （ 2 ）型煤加工：用机械方法将粉煤和低品位煤制成具有一定粒度和形状的煤制品，像工业型煤、民用型煤和特种型煤。高硫煤成型时可加入适量固硫剂以减少 SO2 排放量。 （ 3 ）水煤浆：这是一种以煤代油的燃料，把灰分低而挥发性高的煤研磨成 250 300 m 的微细煤粉，按煤水 7 ： 3 的比例并加适量分散剂和稳定剂配制而成，像燃油一样可贮运和燃烧。 2. 燃烧中的净化 利用先进的燃烧器秋提高燃煤效率（目前热能有效利用率约为 25% ，先进设备大约在 40% ，有 60% 75% 的热能变成废热排出），减少污染排放，如汽化床燃烧器是把煤和吸附剂（石灰石）加入燃烧室的床层中，从炉底鼓风使床层悬浮，进行硫化燃烧，熔化形成湍流混合条件，从而提高燃烧效率，石灰石因硫减少 SO2 排放，较低的燃烧温度（ 830 900 ）使 NOX 生成量大大减少，与采用煤粉炉和烟道无净化装置相比， SO2 和 NOX 减少 50% ，且无需烟气脱硫装置。 3. 燃烧后净化 燃烧后的净化主要包括烟气净化和灰渣处理。 烟气净化包括脱硫、脱氮、除尘。烟气脱硫有两种方法：湿法和干法。湿法是利用石灰水淋洗烟尘，使 SO2 变成亚硫酸钙（ Ca2SO3 ）浆状物；干法是用浆状脱硫剂喷雾，与烟气中的 SO2 反应，生成硫酸钙（ Ca2 SO3 ），被蒸发，干燥颗粒做集尘器收集，这两种方法均可脱硫 90% 。烟气脱氮有多种方法，主要是通过对烟气进行催化处理，使 NOX 分解为无害的 N 和水蒸气（ NOX 催化 N+N2 O ），可脱 NOX 50% 80% 。烟气除尘，一般采用静电除尘，有效率在 95% 以上。灰渣处理，主要是将灰渣与其他材料做成建材。 （二）煤的汽化和液化 煤气化主要是产生 CO 和 H2 ，灰分形成废渣排出，其好处是可在燃烧前脱除气态 S 和 N 的组分。粗煤气中的硫化物、氮化物都可用吸收、吸附法除去，还可以回收 N 。 常用的转换技术有：煤气联合循环发电、城市煤炭汽化、煤炭地下汽化、煤炭液化、燃料电池、磁流体发电等。 1. 煤的汽化 在一定的温度和压力下，通过汽化剂以一定流动方式将煤转化成可燃气体的过程。煤气中的有用成分是 H2 、 CO 、 CH4 等，用空气和水蒸气做汽化剂可制低热值煤气，用 O2 和水蒸气做汽化剂可制得中热值煤气，中热值煤气经甲烷（ CH4 ）化可制得高热值煤气，即代用天然气。煤炭汽化可将所有种类的煤转化为用途广泛（民用、煤气、化工合成原料气、工业燃料气）的气体产品。 2. 煤的液化 有直接液化和间接液化 直接液化是煤在适当的温度和压力下，催化加 H 裂化成液态烃，在反应过程中脱除 N 、 O 、 S 等，新近有出现两段催化加 H 液化新工艺。 间接液化是利用煤炭汽化产品为原料气，经净化后进行改质反应，调整 H2 与 CO 的比例，制成液体产品。 3. 硫流体发电技术 硫流体发电，就是用燃料（石油、天然气、煤）进行高温加热，直至电离成导电的等离子气体，所以也称等离子体发电。将等离子气体高速通过强磁场，使其切割磁感应线而产生感应电动势，从而直接将热能转换成电能，如燃煤在 2600K 以上时，成为等离子气体，在流过磁场时气体中的电子受磁力作用和气体加入活化金属粒子 K 、 CS 相互碰撞，沿着与磁力线成垂直的方向流向电极而发出直流电，经直、交流转换送入电网。 由于磁流体发电排气温度很高，可送往常规汽轮发电厂联合循环发电，总热能利用率可从 40% 提高到 60% 。同时，由于磁流体发电所用的 K 盐在高温时与 S 有化学亲和力，在回收种子时起到了脱硫作用，而且通过控制燃烧方法还能减少 NOX 的排放，因而这种技术具有热效率高，减少粉法、 SO2 、 NOX 等有害气体排放量的优点，是一种低污染的发电技术。 磁流体发电装置主要有燃烧室、发电通道和磁体组成，目前已建成 10MW 100MW 装置。 4. 燃料电池发电技术 从原理上讲，燃料电池和传统电池基本相同，也是通过电化学反应把物质的化学能转换成电池。所不同的是，传统电池是将内部物质事先填充好，而燃料电池进行化学反应所用的物质则是由外部不断填充，因而，可源源不断地发电。 燃料电池是将作为反应物的原燃料（石油、天然气、甲醇等，甲醇可通过煤的间接液化而制成），经过“燃料改质装置”分离出 H 后，进入电池本体，另一端的空气中的氧也同时进入电池本体，分别供给电池的电极，通过电解质使 H 、 O 发生电化学反应，产生电位差，形成低压直流电对外输出，效率可达 60% 70% 。目前，已制成 10MW 级大容量电池，因为它具有热耗少、效率高、低污染、不需要高速旋转设备、无噪音、原料适应性强等特点，在地面、宇航上都应用。 三、核能技术 核能俗称原子能，它是原子核结构发生变化时放出的能量。核能分两类，一类是核裂变能，它是由重元素（ U 或 Pu 钚）的原子核发生裂变时放出的能量；另一类是核聚变能，它是由氢元素（ 1H 、 2H 、 3H ）的原子核发生聚变反应时放出的能量。 核能有巨大的威力，一座 1000MW 的核电站，每年只需 25t 30t 低浓度铀核燃料，而相同功率的火力发电站，每年则需 300 多万吨煤炭（ 1g325 U 裂变能，相当于8 1010 J ，约 2.5t 煤热）。 地球上蕴藏着大量 U 、 Th 资源，如果把它们充分利用起来，大约可供人类使用上千年，地球表面海水储量为 1018 t ，按每千克海水中可提取 0.03g2H 计算，可发电1025 KWh ，可供人类使用几百亿年，可谓是取之不尽的能源。 从 1954 年，前苏联建成第一台核电站以后，到 1993 年 2 月，全世界有 34 个国家和地区的 422 座核电站运行，其中 8000m 高空上正在运行的有 35 座（前苏联有 33 座，美国有 2 座， 1995 年前苏联有一座已坠落），中国有 2 座秦山核电站 300MW 和大亚湾核电站 900MW ，正在建造的有 61 座，有中国大亚湾核电站号。年核发电量总计约 30 亿 KW ，占全部发电的 17% 以上。从技术发展上看是热堆快堆聚变堆，聚变堆国际上可望 2050 年左右投入运行，中国可望 2100 年投入运行。 （一）核裂变能 利用原子核裂变反应放出的核能来发电的装置，其核心是核反应堆，它是一个能维持和控制核裂变反应速度的装置，在这里实现核能热能转换。释放出的热能由一回路系统的冷却剂带出，用以生产蒸汽，使整个系统成为核蒸汽供应系统，它相当于常规火电厂的锅炉系统，由蒸汽驱动发电机组进行发电的二回路系统相当于常规火电厂的汽轮发电机组系统。 核反应主要是：x 、 y 是二分裂中的两块中等质量核， A=140 或 A=96 ，多于反应前的中子数是维持核裂变反应的链式反应，同时每个 235U 释放出约 210Mev 的能量。 核反应堆按其引起裂变中的能量不同可分为热中子反应堆（热堆）和快中子反应堆（快堆）。 1. 热中子反应堆 热中子，也称慢中子，由于热中子与 235U 的结合能为 6.4Mev 裂变阈能 5.3Mev ，而且热中子运动速度慢，被俘获的概率大，更容易引起 235U 裂变，也便于控制。热中子的能量约为 0.1Mev 左右，可通过其原子核与快中子弹性碰撞，使快中子变为热中子，目前用的慢化剂是水、重水（ D2O ）或石墨，堆内有载出热量的冷却剂，冷却剂有水、重水和氦等。热中子堆的燃料有天然铀和稍加浓缩的铀，因此，根据慢化剂、冷却剂和燃料不同，热堆可分为轻水堆（用净化的普通水做慢化剂和冷却剂，低浓度浓缩铀为燃料，包括压水堆和沸水堆）、重水堆（用重水作为中子减速剂和冷却剂、天然铀做燃料）、石墨气冷堆（用石墨做慢化剂， He2 或 CO2 做冷却剂，稍加浓缩铀作燃料），石墨水冷堆（石墨做慢化剂、轻水做冷却剂、稍加浓缩铀做燃料）四种。 轻水堆，技术上比较成熟，其中的压水堆，其热量是通过一次冷却介质带出堆芯传给二次冷却介质进行工作的，放射性物质易被带出一次冷却介质之外。而且，它的铀核裂变速度由中子数目多少来控制，在反应堆内用铪（ 72 Hf ）或银铟镉（ Ag-In-Cd ）特种合金控制棒插入核燃料堆芯的深度来控制吸收中子的多少达到控制裂变速度的目的，所以比较安全，也是最常用的堆型 重水堆的燃料利用率高，连续工作时间长，不必停机更换燃料，是一种安全、经济型堆型，但重水提取获得较复杂。 2. 快中子反应堆 目前的热堆中，是以 235 U 为基本燃料，而天然铀中是 235U 和 238U 的混合物，其中 235U 仅占 0.7% ，而 238 U 可截获大部分中子而不发生烈变，只有一小部分 238U 吸收中子转换成核燃料 239Pu ，所以，实际上核裂变只利用天然铀的 1% 2% ，燃料利用率太低，解决这个问题的办法是发展快中子反应堆。快中子能量约在 2Mev 左右，核燃料利用率可提高 50 60 倍。 快堆的显著特点是直接靠核烈变产生的快中子维持链式裂变反应，不设慢化剂只设冷却剂（ Na 或 He ），它以 239Pu 做燃料，每裂变一个 239Pu 能使 238U 吸收中子后新产生出 1.4 个 239Pu 原子，快堆开动起来以后，会不断地有 238U 吸收中子变成 239Pu ，只有继续填加热堆中不能做燃料的 238U 贫料，经一段时间（如 15-20 年），就可以从燃料的“灰烬”中提取足以装备与自身功率一样大的新堆所需的鉟燃料，目前全世界有 21 座快堆，运行的有 13 座。 核反应堆的启动、停堆和功率控制依靠控制棒，控制棒是由强吸收中子能力的 B 、 Cd 等材料做成的。 （二）核聚变能 7Li+ 1H 24 He+17.3Mev 放出能量，可以证明， 1kg2H 和 3H 聚合成 4He 所释放的能量，相当于 4kg 235U 裂变放出的能量，或相当于 6.6 106 kg 汽油燃烧所放出的能量，并且无污染。 聚变元素 2H 可从海水中提取。 1kg 海水可提取 0.03g 2H ，地球表面上海水贮存量约有 1018 T ，全部提取发电约为 1025 KWh 。按目前能量消耗估计可用几百亿年，问题是如何大量地发生并控制聚变反应。 1. 聚变反应的发生 轻元素（ z 8 ）原子核发生聚合反应： 应满足两个条件： 其一是，两个带正电的原子核相互靠到 10-15 m 才能发生聚变反应，而这必须克服 10-13 J 的库仑势能，要做到这一点，有两种办法：一是用加速器加速粒子，使其获得极高能量，再进行对撞，但这种反应的概率太小，经济上得不偿失；第二种办法是采用热核反应，即将聚变反应的物质加热到极高温度（ 108 1010 K ，所以 ），在此温度下，原子中所有电子均被电离，形成电子和裸核的带电粒子群，即等离子体，这些等离子体由于无规则运动，因碰撞而发生聚变反应，这种以热运动而发生的核反应即称热核反应，如果这种反应能够控制，便称为受控热核反应。 其二是，像 2H 核必须有 0.01Mev 的动能，才有足够的截面可以希望获得有用的能量输出。 2. 聚变反应的控制 聚变反应尚没有达到可控制的程度，如氢弹，其主要原因是没有可以装 108 K 的容器，有希望得到控制的可能是受控热核反应，但技术上还有一些困难，因为要把等离子体加热到 T=108 K ，这大概有三种方法：对等离子体作绝热压缩，功能化为热能，使温度升高；先把电子加热，电子把能量传递给离子，即以大电流通过等离子体，使其发热；把氚核在加速器中加速，使其能量超过热核反应所需要的，然后注入等离子体中起“点火”作用。而且要求等离子体的数密度 n 足够大。高温高密等离子体必须维持足够长时间。 1957 年，美国物理学家将其定量描述为： n 1014 s/cm3T 5 107 K 这么高的温度下，如何把等离子体约束起来，方法有两个：磁约束和惯性约束。 磁约束是利用等离子体在磁场中受洛伦磁力而绕磁力线运动，从而将等离子体约束在一定时间内，这类装置主要有： （ 1 ）磁镜。其磁场分布如图示 5-1 ，它是靠电流线圈的特殊布置使磁场在空间的中间部分较弱，而向两端逐渐增强，当带电粒子沿 Z 方向向两端运动时，由于磁场逐渐增强，它将沿着一条半径逐渐减小的螺线运动，它的速度分为垂直和平行磁场的两个分量，当带电粒子速度为 V ，与中间处的磁场 的夹角 大于临界面时 （ B1 为两端处的磁感应强度），粒子会从磁场两端反射回来（像镜子一样），并把它约束在中部轴线附近。 （ 2 ）环流器（又称托卡马克）。托卡马克型的环流器可能是最有希望实现受控热核反应的装置，该装置主要是由两个圆环形放电管组成图 5-3 ，一个环形真空室套在一个变压器的铁芯上构成了变压器的次级线圈，当变压器的初级线圈中放电时就会在真空室里感应产生一个大电流，原先在真空室外面的磁场线圈会在真空室内产生一个沿着环形轴线方向的磁场（称为环向场），由于这个感生的大电流也沿着环形轴线方向流动，又产生了一个附加的磁场（称为极向场），环向成一个轮胎型的磁面，这些一层套一层的磁面就构成了环流器的约束位形，由于带电粒子之间发生库伦碰撞，因此，使带电粒子从一个磁面跳到另一个磁面上，这种碰撞输运过程决定了粒子的约束时间，但目前实验测到的约束时间都远低于理论预计时间，人们称之为反常输送，为什么会出现反常输送，人们还不知道。为了延长约束时间，只好把装置建的很大，尽管如此，等离子体的约束时间还只是 1s ， n 值还小于劳逊判据（ 1014 m3 s ），因此反常输送机理的研究成为磁约束等离子体的重要课题。 （三）核能利用的安全性 提起核能，人们便会想到原子弹、氢弹，担心是否安全，特别是前苏联切尔诺贝利核电站和高空核电站事故增加了人们的担心。发展核能，一要取其优点，二要注意安全。 1. 核电站不会像原子弹那样爆炸 核电站的建造设计，使用的材料和燃料等都与原子弹不同，其工作方式和介质也不一样，不可能发生核爆炸。因为，原子弹是一种不可控的链式核反应，使用的是高浓度 253U 和 239Pu 原料，纯度 90% ，临界质量为 1kg 以上，并用极复杂精密的引爆系统才能爆炸，而核电站的反应堆是用低浓缩铀做燃料的一种可控烈变反应，燃料也不过是 0.7% ，且封装在 Zr 合金仓壳箱内成为一根根细长的燃料棒，分散固定在反应堆内，中间有高速流动的冷却水通过，堆内还有许多吸收中子能力很强的控制棒，反应堆在控制棒未提起之前不会发生裂变反应，只有当控制棒被提起时才会发生部分裂变反应，将能量有控制地释放。除此以外，还有许多控制系统，即便是发生了最严重的核事故也不会发生核爆炸。比如，控制棒完全失控，压水堆型核电站也没有发生核爆炸。 1986 年 4 月 26 日 ，前苏联切尔诺贝利核电站的严重事故，反应堆失控过热，堆芯熔化，石墨高温燃烧，电站发生火灾，也没有发生核爆炸，只是化学爆炸和失火，事后分析原因：一是人为责任，在反应堆功率回升时，没有切断保护系统；二是设计方面的缺陷， 2000 石墨的工作温度为 700 ，一旦失去冷却，石墨本身会燃烧，电站又无喷淋系统，而且反应堆未安全密封，一旦发生事故，放射性气体会外泄，危及人畜等。 2. 核能应用的安全保障措施 先进核反应堆多采用“固定安全性”装置，即当反应堆出现异常时，可使用非人为操作或外部设备的强制性干预，使反应堆趋于正常运行或安全停闭。 另外，采用“自然安全性”，即由内在负反应性系数，多普勒效应等自然法则的安全性，发生事故时能自动终止裂变反应，同时，还安装了非能动安全性装置，如以惯性的原理的隋性泵，重力法则的势差保护系统，热传递法则的无源设备等。 四、太阳能 太阳不停地光芒四射，主要是来源于内部的热核反应，太阳的质量为 2 1027 t ，每天燃烧 5 106 kgH ，中心温度约为 1.5 107 K ，表面温度 5700K ，相当于每秒钟爆炸 900 亿只百万吨级氢弹（按 TNT 炸药当量计算， 103 tTNT=4.2 1012 J=56g 234U 全部裂变 =0.046g 物质转化为能量）。辐射功率为 3.8 1023 KW ，能到达地球大气层的能量约占总辐射能的二十亿分之一，其中 30% 被大气层反射回宇宙空间， 23% 被大气层吸收，到面地面的辐射功率约有 8 1013 KW ，相当于目前地球上总发电功率的 8 万倍，我国地处北半球，幅员辽阔，有丰富的太阳能资源，平均太阳辐射在 3.3 106 8.4 106 KJ/m2 。 太阳辐射能主要表现为光和热的能量，是一种巨大且对环境无污染的可再生能源，阳光普照，分布广泛，到处都有，但利用太阳能也有一定困难，因为它照在地球上的能量密度小、且受云、雨、气候变化影响，大规模利用太阳能还不太现实，现行直接利用有三种形式：光热转换，光电转换，光化学转换。 （一）光热转换 光热转换是把太阳辐射能直接转换成热能，方法是使太阳光聚焦，用以加热某物体获得热能，目前采用的聚光装置主要有平板型集热器和抛物面型反射聚光器 太阳能热水器是最简单的平板型集热器，它由不同材料涂黑的采热板、水和保温箱构成，输入冷水，获得较高温度水（ 85 ），截止到 1994 年底，我国已安装太阳能热水器面积近 3 106 m2 ，居世界首位。 聚光型集热器是利用光线的反射和折射原理，使光线集中照射在吸热物体上面获得较高温度，如太阳能聚光灶、高温炉、蒸汽锅炉等，聚光的形状有线状聚焦也有点状聚集，一般用聚光比（聚光器的光孔面积与接收器的吸收面积之比）作特性参数，聚光比愈大，集热器温度愈高，太阳能高温炉温度可达 2500 3000 ，特别适合作高温材料的研究，比如，难熔金属冶炼或生产高纯合金。法国和前苏联分别采用 11000 多块平面反射镜组进行全自动跟踪太阳而获取了 3500 、 1000KW 输出功率和 2500 、 1000KW 输出功率的大型高温炉来冶炼钛酸铝和釔铝石榴石等高纯材料。 太阳能蒸汽锅炉是用许多平面或抛面反射镜把阳光聚焦到锅炉上，产生高温蒸汽作为动力源，进行农田灌溉、室内取暖、海水淡化、发电等，太阳能发电站一般须有聚光系统、储能系统、热交换系统、传导系统，通过蒸汽涡轮机驱动发电机发电，日、美、前苏联等国已分别建成了 275MW 和 300MW 的发电站。 利用太阳能发电必须要解决储能问题，因为晴天好办而阴雨天或夜间没有阳光，就必须将晴天吸收的一部分热能储存，以备无阳光时使用，目前的方法主要有：熔盐储能法向蓄电池充电，向高处储水或向巨大的洞穴中泵入压缩空气和 Mg-H 化合物等。 熔盐储能法主要是利用碱金属盐类（如硝酸盐）的潜热性质，像硝酸盐吸收太阳能熔化之后，将热能潜存起来，在夜间时，让水通过熔盐存热器，在熔盐凝固过程中释放热量，来保证连续发电。 Mg-H 化合物不是用聚焦的太阳能使 Mg-H 化合物分解，产生作为反应媒介的 H2 ，再将 H2 输回到 Mg 床，在此过程中化学反应产生热量，它可根据需要随时释放热量，是一种新型太阳能存储器。 （二）光电转换 光电转换主要是依据“光电效应”把光直接转换成太阳能电池，目前主要有硅（单晶、多晶、薄膜和非晶硅）电池、 CdS 电池、 InP 电池、 CaAs 电池和 CaAs-CaAlAs 电池，但 CaAs 和 InP 电池尽管转换效率高，但原料少，造价高，目前主要用于卫星上，而单晶硅电池，转换率为 12% 左右，但生产成本低，利用率高。非晶硅是一种薄膜式太阳能电池，它耗材少、电耗低、工艺简单，可大规模生产，目前是用玻璃或不锈钢做衬底，将一石英容器抽成真空，充入 H2 或 Ar2 （氩气）稀释的硅烷，用射频电源加热，使硅烷电容形成等离子体，非晶硅膜就沉积在被加热的衬底上，如在硅烷中掺入适量氢化磷和 BH ，即可得到 n 型或 P 型非晶硅膜。太阳能电池一直是世界的热门，但只有解决了成本、功率和转换效率问题才可能成为大动力能源。 （三）光化学转换 光化学转换是将太阳辐射能直接转换成化学能。实现这种转换方式主要是利用植物的光合作用，但通过绿色植物实现光化学转换不能完全受人工控制，是非完全可控的能量转换过程。完全可控的光化学转换只有模拟绿色植物的光合作用才能实现，中国是太阳能资源丰富的地区，年可获 1016 KW h 太阳能，相当于 1.2 1012 t 标准煤。 五、地热能 地球内部蕴藏着巨大的热能，这些热能主要是来自地壳下放射性元素缓慢的放射性衰变而不断释放的热量。这些热量大约是地球全部煤炭储能的几亿倍，现已探时的地质资源主要分布在三个地带：环太平洋沿岸的地热带，从大西洋中脊向东横跨地中海、中东到我国滇藏地热带，非洲大裂谷和红海大裂谷地热带。地热带资源大概有五种类型：蒸汽型、热水型、地压型、干热型和岩浆型。目前主要开发利用的是蒸汽型和热水型，开发的方式也主要是地热发电和地热取暖、洗澡、医疗等。 （一）地热发电 地热发电的基本原理与火力发电一样，是利用地热能通过机械能的中间转换产生电能，它不用燃料，不需锅炉，热能直接取自于地热流体。由于利用地热流体的类型不同，采用的做功流体不一样，发电方式也不同，主要方式有： 1. 地热干蒸汽发电 这种发电方式是将地热干蒸汽从地热井中取出，经过分离器分离出固体杂质和水滴后进入汽轮机内膨胀做功，做功后的蒸汽用于其他供热系统或直接排入大气，为提高热力系统循环效率和机组发电能力，也可将做功后的蒸汽排入冷凝器，而采用凝汽式汽轮发电系统，这种发电方式较简单，但由于干蒸汽地热资源蕴藏量较少，且多存于较深地层中，现今美国有一座此类地热电站，有 17 台机组，总容量为 1135MW ，是世界上最大的。 2. 地下热水（温蒸汽）发电 当地下热水温度处于或接近覆盖岩层压力下相应的沸点时，热力即通过钻井向地面冒出，并由于压力减弱，一部分水扩容（闪蒸）为蒸汽，可以利用这部分蒸汽来发电，其方法是： （ 1 ）将蒸汽井中出来的水一汽混合物分离出蒸汽引入汽轮发电机组发电，剩下的热水通过渠道送回地下，以补充地热源给水或者作为工业热源使用，这种地下热水井深度为 300 1500m ，温度为 150 300 ，但这种地热水含有多种腐蚀性气体、杂质，对汽轮机腐蚀磨损较大，要想办法净化。 （ 2 ）以地热蒸汽为热源，加热干净水，使其成为蒸汽再驱动汽轮机发电，或者用地热水加热低沸点工作物质（如氯化烷、氟里昂等），使之汽化，再驱动汽轮机做功，然后再凝结成液体，循环使用。 （二）地热采暖 利用地热能采暖、供热、供水、制冰等可实现城市清洁化，目前有许多国家和地区都在开展这项工作。 六、生物质能利用 生物质能是绿色植物通过叶绿素（光合作用）将太阳能转换为化学能贮存在生物质内部的能量。生物质能通常包括木材和森林工业废弃物、农作物和农业有机残余物、农副产品加工后的有机废弃物、水生植物、油料植物、城市与工业有机废弃物（废水、垃圾）和动物粪便、江河湖泊沉积物等等废物再用的一种干净无污染能源，大体上可分为四类。 （一）热化学转换技术 是将固体生物质转换成可燃气体、焦油、木炭等品位高的能源产品。如生物质汽化技术，将固体生物质在汽化粘性内加热，同时通入空气、 O2 或水蒸汽，使其产生品位较高的可燃气体的热加工过程；热解技术，是生物质受高温加热后，其分子破裂而产生可燃气体，像 CO 、 H 和 CH4 等的混合物，液体（焦油）及固体（木炭）的热加工过程。 （二）生物化学转换技术 生物质在微生物的发酵作用下生成沼气、酒精等能源产品。沼气是有机物质（青草、粪便）在一定温度、湿度、酸碱度和厌氧条件下（密封的沼气池）经各种微生物发酵及分解作用而产生的一种混合可燃气体，一般 CH4 含量为 60% 70% ， CO2 含量为 25% 35% ，还有少量 H2S 、 H2 、