能源与环境第四讲

第四讲新能源能源根据应用范围、技术成熟程度及经济性分为常规能源和新能源两大类。常规能源是指那些技术上比较成熟，已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要作用的能源,例如煤炭、石油、天然气、水能等。在今后一个相当长的时期内，它们仍将担任世界能源舞台上的主角。新能源是指开发利用较少或正在开发研究但很有发展前途，今后将越来越重要的能源，如太阳能、地热能、生物质能、氢能、海洋能和潮汐能等。新能源的能量密度较小，或品位较低，或有间歇性，按已有的技术条件转换利用的经济性尚差，还处于研究、发展阶段,只能因地制宜地开发和利用。新能源大多数是可再生能源。资源丰富，分布广阔，是未来的主要能源之一。可再生能源可再生能源的概念可再生能源是指从自然界可以直接获取、可连续再生、永续利用的一次能源。这些能源基本上直接或间接来自太阳。在自然界可不断再生并有规律地得到补充的能源：水力、生物质能、太阳能、风力、地热、海洋能、畜力等。18世纪前，人类主要利用可再生能源；许多发展中国家仍然以传统可再生能源为主由于清洁、低污染、CO2零排放等特点，可再生能源在未来可持续的能源战略中将将占有重要地位我国《可再生能源法》中的可再生能源主要指风能、太阳能、水能，生物质能（不包括传统燃烧方式利用秸秆、薪柴、人畜粪便等）、地热能和海洋能等。从能源规划的角度看，可再生能源与非可再生能源有两点基本区别：可再生能源可用的资源总量不存在上限，资源可以定期再生，无限期地使用下去；在国家能源系统中究竟能利用多少可再生能源，取决于获取该能源并将其转换为有用形式的技术水平。可再生能源利用技术•直接利用：—供暖—供热水—燃料•转换利用：—优质燃料：液体、气体—发电4.1核能核能在我国是新能源，我国核电站较少，核电所占比例小。许多国家已把核能作为常规能源。核电站最多的国家美国（104座核电站，世界近1/4的核反应堆）核电比重最大的国家法国目前全球核电占电能的比重平均为17%,已有17个国家核电在本国发电量中的比重超过25%。而中国核发电量占总量却不到2%,远不到世界平均水平,更远远低于法国、美国。为何法国核电比重远超其他国家上世纪70年代，西方石油危机造成油价猛涨。1976年，法国政府作出了大规模发展核电的决定。通过发展核电，法国的能源自主率从1973年的22.7％提高到了今天的50％。法国因此每年减少石油进口8800万吨，节约240亿欧元。法国有世界上较成熟和先进的堆型技术，包括第三代核电EPR（欧洲先进压水堆），有世界上最大的核电公司之一（阿莱瓦集团），同时也是世界上最大的铀矿开采国，产量非常高，在非洲尼日尔、亚洲哈萨克斯坦、澳大利亚等主要产铀地区都拥有铀矿开采权。所有这些为法国开发核电提供了极高的便利，而它的总电量又不是特别高。全球核电站分布图核能（原子能）由于原子核内部结构发生变化而释放出的能量。核反应或核跃迁时释放的能量。例如重核裂变、轻核聚变时释放的巨大能量。是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合阿尔伯特·爱因斯坦的质能方程E=mc2;，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。核能通过三种核反应之一释放：1核裂变指较大的原子核在中子激发下分裂成较小原子核时所释放出的能量。2核聚变氘氚等较小原子核在高温高压条件合成氦等较大原子核时所释放出的能量。3核衰变自然的慢得多的裂变形式。目前核聚变还没有有效的控制方法，只有核裂变能得到了普遍应用核能基础知识原子及原子核原子由带正电的原子核和绕原子核旋转的带负电的电子构成的。原子核包括质子和中子，质子数决定了该原子属于何种元素，原子的质量数等于质子数和中子数之和。电子数等于质子数。如一个铀-235原子是由原子核（由92个质子和143个中子组成）和92个电子构成的。虽然原子核的体积很小，但在一定条件下它却能释放出惊人的能量。同位素质子数相同而中子数不同或者说原子序数相同而原子质量数不同的一些原子被称为同位素，它们在化学元素周期表上占据同一个位置。就是指某个元素的各种原子，它们具有相同的化学性质。铀的同位素铀是自然界中原子序数最大的元素。天然铀的同位素主要是铀-238和铀-235，它们所占的比例分别为99.3%和0.7%，除此之外还有微量的铀-234。铀-235原子核完全裂变放出的能量是同量煤完全燃烧放出能量的2700000倍。核裂变核裂变原理核裂变是指一个重原子核，分裂成两个或多个中等原子量的原子核，引起链式反应，从而释放出巨大的能量。例如，当用一个中子轰击U-235的原子核时，它就会分裂成两个质量较小的原子核，同时产生2—3个中子和β、γ等射线，并释放出约200兆电子伏特的能量。释放出的中子去轰击另一个铀-235原子核，便引起新的裂变，以此类推，裂变反应不断地持续下去，从而形成了裂变链式反应，核能也连续不断地释放出来。裂变反应中新产生的中子速度非常快，达2×107m/s，由这样快的中子引起裂变的几率很小，当其速度降到约2.2×103m/s时，它在铀核附近停留的时间加长，容易击中铀核使其发生裂变。此时中子称为热中子。要使快中子减速成为热中子需要某些物质充当减速剂，一般选用轻核物质如水、重水、纯石墨等作为减速剂。核裂变燃料核聚变核聚变是指在高温下(几百万度以上)两个质量较小的原子核结合成质量较大的新核并放出大量能量的过程，也称热核反应。它是取得核能的重要途径之一。聚变过程释放的能量强度比235U裂变还要大4倍多。在太阳等恒星内部，压力和温度都极高，因此有核聚变反应。氢弹是利用氘、氚原子核的聚变反应瞬间释放巨大能量这一原理制成的，它释放能量有着不可控性，所以有时造成了极大的杀伤破坏作用。核聚变燃料最容易实现核聚变反应的是原子核中最轻的核，如氢、氘、氚、锂等，其中最容易实现的热核反应是氘和氚合成氦的反应。1g氘和氚燃料在聚变中所产生的能量相当于8t石油，比1gU235裂变时产生的能量要大近5倍。氘地球上储量特别丰富，每升海水中即含氘0.034g。氚在海水中含量极少，可以从地球上藏量很丰富的锂矿里分离出来，海水中也含有丰富的锂。核聚变的核燃料丰富，释放的能量大，聚变中的氢及反应生成的氦都对环境无害，因此尽快实现可控的核聚变反应是21世纪人类面临的共同任务。核能的用途1.核能的军事用途制造核武器；用作航空母舰、核潜艇、原子发动机等的动力源。2.核能在经济领域的用途替代化石燃料用于发电——核电3.核能技术的其它应用核农业——核辐射育种核医学——在医学研究、临床诊断和治疗上应用放射性核元素及射线自人类发现核能以来，它的首次应用就是在军事方面。第二次世界大战期间，德、美、日都在积极开展核武器的秘密研究。1945年7月6日，美国第一颗原子弹的试验取得了成功。1945年8月6日和9日，美国把一颗命名为“小男孩”的铀弹和一颗命名为“胖子”的钚弹分别投掷到日本的广岛和长崎，使两城市49万人丧生。之后，前苏联、英国、法国也有了自己的核武器。后来，美国、前苏联、中国又分别爆炸了氢弹。目前全世界宣布拥有或实际拥有核武器的国家有美国、俄罗斯、中国、英国、法国以及印度、巴基斯坦等国。核武器是指利用能自持进行核裂变或聚变反应释放的能量，产生爆炸作用，并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称。主要利用铀235或钚239等重原子核的裂变链式反应原理制成的裂变武器,通常称为原子弹。主要利用重氢（氘）或超重氢（氚）等轻原子核的热核反应原理制成的热核武器或聚变武器，通常称为氢弹。有些还在武器内部放入具有感生放射的轻元素，以增大辐射强度扩大污染，或加强中子放射以杀伤人员（如中子弹）。核武器具备特有的强冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性沾染和核电磁脉冲等杀伤破坏作用。核武器爆炸时释放的能量，比只装化学炸药的常规武器要大得多。核武器爆炸时，核反应过程非常迅速，微秒级的时间内即可完成。因此，在核武器爆炸周围不大的范围内形成极高的温度，加热并压缩周围空气使之急速膨胀，产生高压冲击波。地面和空中核爆炸，还会在周围空气中形成火球，发出很强的光辐射。核反应还产生各种射线和放射性物质碎片；向外辐射的强脉冲射线与周围物质相互作用，造成电流的增长和消失过程，其结果又产生电磁脉冲。核能的用途1.核能的军事用途作为核武器；用作航空母舰、核潜艇、原子发动机等的动力源。2.核能在经济领域的用途替代化石燃料用于发电——核电3.核能技术的其它应用核农业——核辐射育种核医学——在医学研究、临床诊断和治疗上应用放射性核元素及射线核能发电优点:1．核能发电不像化石燃料发电那样排放大量的污染物质到大气中，因此不会造成空气污染。2．核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。3．核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，暂时没有其他的用途。4．核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。5．核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。缺点：1．核能电厂会产生放射性废料，或者是使用过的核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。2．核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境里，故核能电厂的热污染较严重。3．核能电厂投资成本比较高。4.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。5．核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。核电站发电原理核电站是以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，使核能转变成热能来加热水产生蒸汽。利用蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电，使机械能转变成电能。一般说来，核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异，其奥妙主要在于核反应堆。核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。裂变的链式反应产生大量热能，用循环水(或其他物质)带走热量避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气，推动气轮机发电。由此可知，核反应堆最基本的组成是裂变原子核+热载体。高速中子会大量飞散，这就需要使中子减速增加与原子核碰撞的机会；核反应堆要依人的意愿决定工作状态，这就要有控制设施；铀及裂变产物都有强放射性，会对人造成伤害，因此必须有可靠的防护措施。核反应堆的合理结构是：核燃料+慢化剂+热载体+控制设施+防护装置核电站分类按所使用的慢化剂和冷却剂分类：（1）轻水反应堆：采用轻水做慢化剂和冷却剂，根据水在反应堆内的工作状态又可分为压水堆和沸水堆两类。（2）石墨气冷或水冷堆：采用石墨作慢化剂，气体（如CO2、He等）或水做冷却剂。（3）重水堆：采用重水作慢化剂，重水（也有采用沸腾轻水）做冷却剂。沸水堆核电站沸水堆核电站工作流程是：冷却剂（水）从堆芯下部流进，在沿堆芯上升的过程中，从燃料棒那里得到了热量，使冷却剂变成了蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，将分离出的蒸汽来推动汽轮发电机组发电。沸水堆所用的燃料和燃料组件与压水堆相同。沸腾水既作慢化剂又作冷却剂。沸水堆与压水堆不同之处在于冷却水保持在较低的压力（约为70个大气压）下，水通过堆芯变成约285℃的蒸汽，并直接被引入汽轮机。所以，沸水堆只有一个回路，省去了容易发生泄漏的蒸汽发生器，因而显得很简单。沸水堆核电站原理图核事故核事故是指大型核设施（例如核燃料生产厂、核反应堆、核电厂、核动力舰船及后处理厂等）发生的意外事件，可能造成厂内人员受到放射损伤和放射性污染。严重时，放射性物质泄漏到厂外，污染周围环境，对公众健康造成危害。切尔诺贝利核事故切尔诺贝利核电站是苏联时期在乌克兰境内修建的第一座核电站，曾被认为是世界上最安全、最可靠的核电站。但1986年4月26日，核电站的第4号核反应堆在进行半烘烤实验中突然发生失火，引起爆炸，造成３０人当场死亡，８吨多强辐射物泄漏。此次核泄漏事故使电站周围６万多平方公里土地受到直接污染，３２０多万人受到核辐射侵害，酿成人类和平利用核能史上的一大灾难。据估算，核泄漏