化学与能源

Chem第四章化学与能源主要内容第1节常规能源第2节原子核能第3节新能源第2节原子核能原子能原子结构•原子的大小•质子、中子和电子原子由原子核及核外电子构成。原子核是带正电的质子和电中性的中子紧密的结合体（氢除外）。粒子符号质子p,p+,H+中子n,n0电子e,e-氢及同位素•氢--H一价非金属元素。在正常情况下,氢是无色、无臭、极易燃烧的双原子气体，•氘--D[deuterium],亦称“重氢”，氢的同位素,其原子量为普通轻氢的二倍,少量的存在于天然水中,用于核反应,并在化学和生物学的研究工作中作示踪原子,•氚--3H或T[tritium]氢的放射性同位素,原子量为普通氢的三倍,半衰期12.5年,用中子轰击锂可产生氚.同位素标记水(15Oor19O)研究植物的生化过程14carbon研究文物的年代原子核放射性的发现什么使未感光的底片感光？射线：易被纸，金属膜、皮肤等阻挡射线：穿透性较强，厚的木版、金属板阻挡射线：能穿透大多数物质，需用厚铅板或水泥墙阻挡原子研究的诺贝尔奖TheNobelPrizeinPhysics1903AntoineHenriBecquerelinrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbyhisdiscoveryofspontaneousradioactivity”发现自发放射现象TheNobelPrizeinPhysics1903PierreCurie&MarieCurieMarieCuriewasthefirstwomantoteachattheSorbonneinParis,andthefirstwomantoreceiveaNobelPrize.inrecognitionoftheextraordinaryservicestheyhaverenderedbytheirjointresearchesontheradiationphenomenadiscoveredbyProfessorHenriBecquerel“放射现象的研究TheNobelPrizeinChemistry1911MarieCurie1867-1934France,SorbonneUniversity,Paris,France“inrecognitionofherservicestotheadvancementofchemistrybythediscoveryoftheelementsradium(镭)andpolonium(钋),bytheisolationofradiumandthestudyofthenatureandcompoundsofthisremarkableelementTheCuries’workTheyeventuallyprepared1g(0.04oz)ofpureradiumchloridefrom8metrictonsofwastepitchblende(废沥青油矿)fromAustria.8吨制备出1克!!!!!MarieCurie’sNotebooksMarieCuriediedofleukemia(白血病)broughtonbyherprolongedexposuretoradioactivity.Thenotebookssheusedarestillradioactive.TheNobelPrizeinChemistry1934“forhisdiscoveryofheavyhydrogen(重氢[氘])HaroldClaytonUreyUSAColumbiaUniversityNewYork,NY,USA1893-1981TheNobelPrizeinChemistry1944“forhisdiscoveryofthefissionofheavynuclei(核裂变)OttoHahn,1879-1968,GermanyKaiser-Wilhelm-Institut(nowMax-PlanckInstitut)fürChemie,Berlin,GermanyTheNobelPrizeinChemistry1960forhismethodtousecarbon-14foragedeterminationinarchaeology,geology,geophysics,andotherbranchesofscienceWillardFrankLibby,1908-1980,USAUniversityofCaliforniaLosAngeles,CA,USA60Co产生及利用•用中子轰击59Co（钴源）可得60Co59Co+1n→60Co•60Co是和放射体，是最好的射线源•用于探矿、金属探伤•医学治疗癌症•科学研究（中科院长春应化所生产热缩塑料）60Co放射治疗核技术在医疗中的应用•各种扫描仪（正电子发射断层扫描）•辐射治疗（射线，刀）•辐射消毒•心脏起搏器电池的电源（钚）•放射性同位素标记测定通过心脏的血流爱因斯坦质能方程式：E=mC2(m为质量，C为光速)产生的能量供100W电灯使用：能量来源使用时间完全转化1克物质为能量28,000年1gU-235裂变23年有效燃烧1g汽油8分钟1g食糖提供给人体的能量少于3分钟核反应核反应有两种形式：核聚变和核裂变核裂变：由中子轰击原子核产生，U235的裂变产物可能有30-40种之多小男孩原子弹LittleMan-广岛原子弹U235的体积相当于一个苹果大小Nuclear-PoweredAircraftCarrierAbrahamLincolnNuclearBombsNuclearweaponsarethemostpowerfulanddestructiveexplosivesinexistence.Modernnuclearweapons,whichmayhavethepowerofseveralmilliontonsofTNT,generallyhave8to40timesmoreexplosivepowerthanthe“LittleBoy”and“FatMan”bombsthatdevastatedHiroshimaandNagasakiin1945.贫铀弹贫铀弹以贫铀为主要原料，而贫铀则是从金属铀中提炼出铀235以后的副产品，其主要成分是具有低水平放射性的铀238，故称贫化铀，简称贫铀。高速发射的贫铀弹可以穿透厚实的坦克装甲和水泥掩体。在天然铀中主要含有铀235（占0.72％）和铀238（占99.27％）两种同位素，人类实际上是利用铀235来造成链式核裂变反应。贫铀（DepleteUranium)的直接放射性危害远不如天然铀一、引起造血障碍；二、眼白内障；三、白血病及其他恶性肿瘤；四、生育能力下降；五、生长发育出现障碍。贫铀弹的五大危害核裂变能的和平利用核电站的优点与缺点优点：高效发电成本比燃煤发电平均低1/3缺点：核电站事故，十分可怕前苏联切尔诺贝利，记忆犹新日本核泄露事故。2005－2010年发电成本比较据铀研究所报道：1997年币值，美分/kWh国家和地区核煤天然气法国3.224.644.74俄罗斯2.694.633.54日本5.755.587.91韩国3.073.444.25西班牙4.104.224.79美国2.333.482.33-2.71加拿大2.47-2.962.923.00中国2.54-3.083.18-目前世界共有441座核电站运行268座压水堆核电站94座沸水堆核电站23座气冷堆核电站40座重水堆核电站12座石墨水冷堆核电站3座快中子堆核电站压水堆核电站共发电249GW(2.49亿千瓦)占核电总发电量65%主要是第二代核电站1、国外四代核电技术现状7%16%21%56%第一季度第二季度压水堆第四季度压水堆沸水堆重水堆其他压水堆仍将是国际未来30-40年的主力堆型第一代核电站第二代核电站第三代核电站第四代核电站五、六十年代原型堆解决工程技术问题七十年代至今运行业绩良好，还在增效延寿多种堆型仍在批量建设（共23台）九十年代至今安全性经济性好市场前景乐观，已建首堆工程，尚未批量推广，在建8台九十年代后期起六种堆型安全经济资源利用废物量最小防止核扩散2035年左右商用化国际上核电发展趋势概述秦山一期核电厂300MW大亚湾核电厂2×900MW1994年2月1日和5月6日两个机组分别投入商业运行1991年12月15日并网发电我国核电发展现状(运行核电站)我国核电发展现状(运行核电站)秦山二期650MW核电站1、2机组分别与2002年2月6日、2004年5月并网发电岭澳核电站1、2机组分别与2002年2月26日、2002年9月并网发电我国核电发展现状(运行核电站)江苏田湾核电站1、2机组分别与2006年5月12日、2007年5月并网发电秦山三期核电站1、2机组分别与2002年11月19日、2003年6月并网发电进入批量化加快发展阶段2020年核电规划容量将达到40GW，占当时电力总容量约4%（现在世界的平均水平为16%）。核电占总电量的份额仍然较低。近两年来，国务院陆续批准了新的核电项目，其中二代改进型的有23个机组，达到批量规模。三代的AP1000和EPR也开始建设。此外进入工程前期的还有，湖南桃花江、湖北大阪、江西彭泽，以及海南昌江核电站。中国的核电进入了加快发展的时期。南海诸岛我国核电厂分布图商运核电站建设中和已核准近期有可能核准的红沿河核电站海阳核电站田湾核电站秦山第二核电站秦山核电站三门核电站秦山第三核电站福清核电站大亚湾核电站岭东核电站台山核电站阳江核电站宁德核电站岭澳核电站防城港核电站海南昌江核电站石岛湾核电站我国核电发展现状(已开工项目)辽宁红沿河核电站4台机组主体工程于2007年8月陆续开工福建宁德核电站4台机组主体工程于2008年2月陆续开工我国核电发展现状(已开工项目)福清核电站6X1000MW1、2号机组2008年12月开工图为2号机组第一罐混凝土方家山2X1000MW核电站1、2号机组2008年12月开工我国核电发展现状(已开工项目)三门核电站2X1250MWAP1000(三代机型)2009年3月开工海阳核电站2X1250MWAP1000(三代机型)2009年9月开工我国核电发展现状(已开工项目)台山核电站2010年4月15日开工我国核电发展现状(已开工项目)昌江核电站2010年4月25日开工省份厂址省份厂址湖北大畈、浠水、钟祥福建漳州、龙岩湖南桃花江、常德、衡阳、株洲、小墨山海南红沙顶江西彭泽、吉安、鹰潭、万安山东石岛湾(CAP1400)、乳山江苏田湾三期、东陬山辽宁徐大堡、庄河、桓仁安徽芜湖、吉阳、安庆吉林靖宇、松江浙江龙游、苍南河南南阳、信阳广东岭澳三期、粤东田尾、粤东乌屿、云浮、西江、北江、韩江四川三坝广西桂东重庆涪陵、丰都已审查初可研报告的厂址核（裂变）电站示意图电机燃料棒和中子棒控制反应速度冷却水美国研制“便携式”核电站•英国《新科学家》周刊2004年9月报道，美国能源部正在研制一种新的核电站,一种封闭式核反应堆，能够运送到指定的地方，安装后能发电长达30年，等燃料用完后再收回来。美国能源部表示，希望2015年能搞出样机来。•在常规反应堆中，链式核反应消耗燃料棒中的裂变同位素，所以每隔几年就要更换燃料棒。•为了能使发电过程延长到30年，就必须使封闭式反应堆能像增殖反应堆那样利用中子把诸如铀238等非裂变同位素变成裂变同位素。要进一步延长反应堆的使用寿命，就得把柱形核心放在一个能把中子反射到燃料中的金属圆筒中。这种反射将在柱形核心的一端开始，慢慢的移动到另一端，在这个过程逐渐把核燃料消耗掉。要使这样的一个系统长期运行将是非常艰巨的一项任务。太阳发生核聚变核聚变•自然界中最容易实现的聚变是氢同位素之间的聚变，太阳的能量就是通过内部聚变产生的。•海洋中存在取之不尽的氢同位素，而且其反应产物是无放射性污染的氦。•另外，由于核聚变需要极高温度，一旦某个环节出现问题，燃料温度下降，聚变