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1、社会社会Chem与与与与第四章 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
2、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(15O or 19O)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The Nobel Prize in Physics 1903Antoine HenriBecquerelin recognition of the extraordinary services he has rendered byhis discover
3、y of spontaneous radioactivity” 发现自发放射现象 The Nobel Prize in Physics 1903Pierre Curie & Marie CurieMarie Curie was the first woman to teach at the Sorbonne in Paris, and the first woman to receive a Nobel Prize. in recognition of the extraordinary services they have rendered by their joint researches
4、 on the radiation phenomena discovered by Professor Henri Becquerel“放射现象的研究The Nobel Prize in Chemistry 1911Marie Curie 1867 - 1934France ,Sorbonne University , Paris, France“in recognition of her services to the advancement of chemistry by the discovery of the elements radium (镭)and polonium(钋), by
5、 the isolation of radium andthe study of the nature and compounds of this remarkable elementThe Curies work They eventually prepared 1 g (0.04 oz) of pure radium chloride from 8 metric tons of waste pitchblende(废沥青油矿) from Austria.8吨制备出1克!Marie CuriesNotebooks Marie Curie died of leukemia(白血病) broug
6、ht on by her prolonged exposure to radioactivity. The notebooks she used are still radioactive.The Nobel Prize in Chemistry 1934“for his discovery of heavy hydrogen(重氢氘) Harold Clayton UreyUSAColumbia UniversityNew York, NY, USA1893 - 1981The Nobel Prize in Chemistry 1944 “for his discovery of the f
7、ission of heavy nuclei(核裂变)Otto Hahn , 1879 - 1968 , GermanyKaiser-Wilhelm-Institut (now Max-Planck Institut) fr Chemie ,Berlin, Germany The Nobel Prize in Chemistry 1960for his method to use carbon-14 for age determination in archaeology, geology, geophysics, and other branches of scienceWillard Fr
8、ank Libby , 1908 - 1980 , USA University of California Los Angeles, CA, USA60Co 产生及利用 用中子轰击59Co （钴源）可得60Co 59Co + 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
9、使用： 能量来源 使用时间 完全转化1克物质为能量 28,000年1 g U-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 Little Man-广岛原子弹 U235的体积 相当于一个 苹果大小Nuclear-Powered Aircraft CarrierAbraham LincolnNuclear Bombs Nuclear weapons are the most powerful and destructive explosives
10、 in existence. Modern nuclear weapons, which may have the power of several million tons of TNT, generally have 8 to 40 times more explosive power than the “Little Boy” and “Fat Man” bombs that devastated Hiroshima and Nagasaki in 1945. 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
11、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（Deplete Uranium)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。 20052010年发电成本比较据铀研究所报道：1997年币值，美分
12、/kWh国家和地区核 煤 天然气法国 3.22 4.64 4.74 俄罗斯 2.69 4.63 3.54 日本5.75 5.58 7.91 韩国 3.07 3.44 4.25 西班牙 4.10 4.22 4.79 美国2.33 3.48 2.33-2.71 加拿大 2.47-2.96 2.92 3.00 中国 2.54-3.08 3.18 - 目前世界共有 441 座核电站运行l 268座 压水堆核电站l 94座 沸水堆核电站l 23座 气冷堆核电站l 40座 重水堆核电站l 12座 石墨水冷堆核电站l 3座 快中子堆核电站l压水堆核电站共发电249GW(2.49亿千瓦)l 占核电总发电量 6
13、5%l主要是第二代核电站1、国外四代核电技术现状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u 五、六十年代u 原型堆u解决工程技术问题u 七十年代至今u运行业绩良好，还在增效延寿u多种堆型u仍在批量建 设（共23台）u 九十年代至今u安全性经济性好u市场前景乐观，已建首堆工程，尚未批量推广，在建8台u 九十年代后期起u 六种堆型u安全 经济 资源利用废物量最小 防止核扩散u2035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2900MW1994年2月1日和5月6日两个机组分别投入商业运行1991
14、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
15、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。 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 2X1250MW AP1000 (
16、三代机型) 2009年3月开工 海阳核电站 2X1250MW AP1000 (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
17、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
18、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，聚变反应就会自动中止。也就是说，聚变堆不会发生类似前苏联切尔诺贝利核电站的泄漏事故。受控核聚变受控核聚变 在地球上，除了科学家们的实验室里进行过核聚变以外，我们唯一知道的大规模聚变就是氢弹爆炸，但那只会给人类带来灾难，人类需要的是受控聚变。 实
19、现受控聚变是一个比登月还要困难得多的科学工程。受控聚变研究仍处于基础阶段，乐观的估计认为，聚变能有望在50年后实现商业化。核聚变的利用氢弹弹体引爆装置小型原子弹三种炸药：普通炸药235氘、氚爆炸裂变聚变氘、氚、重氢化钾等铀235外壳普通炸药氢弹 利用氢的同位素氘和氚的原子核聚变时产生的能量进行杀伤和破坏的炸弹, 其威力比原子弹大得多。2H+3H4He+1n+核聚变能 该反应是靠原子弹爆 炸的高温引发的。太阳 氢弹爆炸形成的磨姑云人类第一枚氢弹人类第一枚氢弹1952年11月1日，人类第一枚氢弹“麦克”在马绍尔群岛的恩尼威托克小岛上爆炸，产生了1000万吨TNT当量的威力，相当于广岛原子弹的700
20、倍。这枚氢弹在几百米高的钢架上起爆之后，整个小岛连同钢架都在巨大的爆炸声中沉入太平洋深处。全世界为之震惊。钱三强 留学法国，核物理，约里奥居里夫妇的博士。 中国原子能事业的开拓者和奠基人之一。 1950年代领导建成中国第一个重水型原子反应堆和第一台回旋加速器，以及一批重要仪器设备。使我国的堆物理、反应堆工程技术、钎化学放射生物、放射性同位素制备、高能加速器技术、受控热核聚变等科研工作，都先后开展起来。 1960年，即在原子能所组织中子物理理论与实验两个研究组开展氢弹的预研工作，促成了中国在第一颗原子弹爆炸后仅2年零8个月，就研制成了氢弹。 氢弹破坏力没有极限 “麦克”爆炸后，核物理学家们明白了
21、这样一个事实：氢弹的爆炸威力大小，与氢弹内氘的含量有关。也就是说，氢弹在理论上是没有破坏力极限的，如果你愿意的话，制造出多大破坏力的氢弹都可以。理论上，只要装配足够份量的液体氘，一枚氢弹甚至可以将包围地球的大气全部吹向太空，使人类窒息而死，或者使大洋的海水涌向陆地，将整个地球变成汪洋。受控核聚变装置Tokamak Fusion Reactor(托卡马克受控热核反应装置) In 1993 scientists at the Tokamak Fusion Test Reactor, at Princeton Universitys plasma physics laboratory in New
22、Jersey, produced a controlled fusion reaction, during which the temperature in the reactor surpassed three times that of the core of the sun.受控核聚变反应-能量逐步释放？ 反应条件：100亿C的高温，10亿大气压 如何产生高温高压？ 离子束、强无线电发射、电子脉冲 用什么材料束缚如此高温下的物质？强磁场 控制不与壁接触 如受控核聚变是完美的，10克氘（从500升海水中提取）和15克氚（在反应器内制）产生的电能为一个100万人口的现代城市居住的人终生使用。
23、受控核聚变反应的优点 氘从海水中提取，资源丰富。提炼氘比提 炼铀容易的多。 氚在反应器内制(中子与锂毯反应） 63Li + 10n 42He + 31H 将氦分离开，氘和氚回到反应器反应 聚变产物是稳定的氦核，无放射性污染， 无废料。中国探月工程的一个重要科学目标月球上的氦-3资源 氦-3是一种比铀、氘、氚可控核聚变能量还大的物质。根据科学研究和技术发展的现状，人类未来解决能源问题的途径将很可能是建立和使用“氦-3” 同位素的热核反应堆。 据专家估算，建设一个500MW的D-氦-3核聚变发电站，每年消耗的氦-3仅需50公斤，每吨氦-3可以发电1000亿千瓦时。如果将月壤中全部氦-3用于D-氦-
24、3可控核聚变发电，按照目前世界上能源的消耗水平，月球上的氦-3可以满足人类1万年以上的供电需求，此外D-氦-3可控核聚变发电另一特点是安全和高效而且清洁。第 3 节 新能源 氢能 太阳能 生物柴油 二甲醚 可燃冰 其他清洁能源 水能、风能、地热、海洋等主要内容一、氢能l氢在周期表中是第1号元素，相对原子量是1.000.在标准状态下,它的密度为0.0899g/L,l常温下为无色气体。1s1其原子核外的电子排布如右图所示，其核外的电子构型为:1氢气是最清洁的燃料氢的原料是丰富的水，没有资源的限制氢的燃烧生成物是水，不污染环境氢来自水燃烧后又回归于水，不影响地球上的物质循环与电力储藏困难相反，氢能储
25、藏很容易氢能作为取代石油的液体燃料，可用于汽车燃料，飞机燃料等氢能可由燃料电池直接用来发电氢与储氢材料之间的可逆反应具有能量转换功能。故可广泛用于电池等氢可广泛用作化工等的原料氢能的实用化，尚待解决以下技术难题：l廉价的制氢技术基础l安全可靠的贮氢和输氢方法关键l高效率地转换氢能的技术开发l将氢能用于社会各行各业的技术开发 氢燃料电池汽车是氢能应用的主要途径和最佳表现形式氢能经济为何迟迟未能全面启动？制氢技术介绍用H2O制氢：电解H2O热化学分解利用太阳能分解水生物制H2：模拟光合作用实验室制氢：Na,Ca与H2O反应制H2等工业制氢：天然气、石油裂解可制H2，水煤气可用煤炭制H2，但消耗化石
26、燃料制H2从能源角度讲毫无意义。 取之不竭，使用方便，能再生，无污染。（每秒钟相当于1.3亿亿吨标准煤，即 5.2 1023 KW.h/s，其中122亿传到地球， 2.8 1024 J/a，为目前人类所需能量1万倍）转换形式（1）光热转换。基本原理：使太阳光聚集，用来加热一些物体获热能。装置： A、平板型集热器如太阳能热水器； B、抛物面型反射聚光器如太阳能聚光灶，太阳炉。二、太阳能二、太阳能（2）光电转换基本原理：利用“光电效应”；装置：太阳能电池如硅电池（转换效率13-20）存在问题：成本高，受昼夜、天气影响，难以大规模使用；太阳能发电站目标：沙漠地带铺设带有硅电池的集光板。若能利用撒哈拉
27、大沙漠全部辐射能的1，足以供给全世界，我国第一座建在甘肃省。二、太阳能生物柴油的特点减少汽车尾气中SOx和颗粒物排放整个过程少排放CO2，减少温室效应 本身无毒、无害，能自行分解回归自然具有一定的润滑性，从而延长机动车的寿命燃烧热值稍低，倾点较高，影响低温启动 三、生物柴油生物柴油的制造生物柴油的制造l植物油与甲醇（乙醇）酯交换制得 棉籽油、棕榈油、椰子油、菜籽油、野生植物油以及海藻等l化学法液碱催化固体碱催化二段催化l酶催化 CH2OCOR1 CHOCOR2 3CH3OH CH2OCOR3CH2OH CHOHCH2OHCH3OCOR1CH3OCOR2CH3OCOR3催化剂酯交换法反应机理：
28、+生物柴油的制造生物柴油的制造意义：l超清洁柴油l有利于增产柴油、调整柴汽比l减少原油进口，多一条运输能源安全保障的途径l多一条农林业增产、增收途径问题：l植物油成本高，难与石油柴油竞争对策：政府支持与农业生产结合（农业加工工业）种植低成本油料作物 改进工艺，利用副产品（甘油、润滑剂等）降低成本生物柴油的制造生物柴油的制造二甲醚(Dimethyl ether)，简称DME，化学分子式 为CH3OCH3，是一种含氧燃料，它无毒性，常温常压下为气态，常温时可在五个大气压下液化，具有与液化石油气相似的物性。二甲醚无C-C链，其十六烷值大于55，具有优良的压缩性，非常适合于压燃式发动机，用作为柴油机的
29、代用燃料。而常规发动机代用燃料液化石油气、天然气、甲醇，它们的十六烷值都小于10，一般只适合于点燃式发动机。四、二甲醚二甲醚生产工艺n一步法由天然气转化或煤气化生成合成气后，在反应器内同时完成甲醇合成与甲醇脱水两个反应过程和变换反应。 四、二甲醚n二步法先由合成气合成甲醇，甲醇在固体催化剂下脱水制二甲醚。 二甲醚应用n用于生活：DME在排放与燃烧方面都优于LPG。n用于燃气轮机的燃料：建立以DME为燃料的电厂。n替代柴油：以超清洁燃料取代柴油是个世界性课题，对中国尤其有挑战性与迫切性。因为柴油是我国油品中用量最大，也是目前缺口最大的燃料。n作为高附加值化工产品的中间原料：如CH3OOH(醋酸)
30、四、二甲醚二甲醚对液化气钢瓶有腐蚀作用，易造成阀门泄漏，引发爆炸事故。“可燃冰”简介 99%甲烷其他炭氢气体和水正在燃烧的“可燃冰”“可燃冰”微观结构图五、可燃冰形成条件温度不能太高：2-4，适合“可燃冰”的形成， 高于20就分解；压力要足够大：在0时，30个大气压就可形成 越深压力越大，“可燃冰”越稳定；有甲烷气源。五、可燃冰1、应用优点：n能源角度：1m3可燃冰=164m3甲烷+0.8m3水； 能量密度=10倍煤=2-5倍天然气。n环保角度：清洁无污染，几乎不产生任何污染物。 n应用角度：运输、使用方便。2、埋藏较浅，便于开发3、矿层规模大4、储量巨大“可燃冰”可为人类供能达.万年我国南海
31、北部蕴藏量相当于陆地石油天然气资源的一半五、可燃冰“可燃冰”在海底的位置海底取出的“可燃冰”样品五、可燃冰存在问题n开采依旧是个难题n温室效应问题：在导致全球气候变暖方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大1020倍n海上灾害问题 可燃冰矿藏受到破坏，导致甲烷气体的大量泄漏，从而引起强烈的温室效应。 陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难，一旦出了井喷事故，就会造成 海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。五、可燃冰2013年3月12日，日本科学家利用“地球”号深海勘探船，在约1000米深的海底通过降低地层压力，将“可燃冰”分解为水和甲烷气体，并提取甲烷气。“可燃冰”可能造成的海上灾害五、可燃冰三峡工程：是世界最
32、大综合水利枢纽工程；电站总装机2240万千瓦 1、水能资源六、其他清洁能源2、风能资源 全国风能资源量约为10亿千瓦。其中，陆地资源量约2.5亿千瓦，主要分布在“三边”地区及东部沿海地区。问题：A、如何贮存好能量使在无风时也能供电；（解决办法：有风期给蓄电池充电，但费钱；风车的电力电解水制氢气，作燃料）； B、结构设计是建立风力发动机中的另一个问题。新疆达板城风力发电厂新疆达板城风力发电厂 西藏发电量40是地热电，西藏羊八井地热电站水温150。分类： A、干蒸汽源：地热蒸汽直接供给涡轮机，电站的建筑成本和电弗比任何别的能源低； B、湿蒸汽热：同时放出蒸汽和热水； C、热源：地热田没有地下水，用泵把水灌进去加热，然后抽出来进行蒸汽发电。问题：A、水枯竭是地热干蒸汽和地热湿蒸汽的致命伤； B、地面沉降； C、潜在水污染问题。3、地热能羊八井地热电站冰岛地热4、海洋能 潮汐能电站。江厦潮汐试验电站4、海洋能
