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第五节　新能源技术 一、能源概述 能源是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。 能源的分类 来自于地球本身，如核能、地热能等； 来自于球外天体，如宇宙射线及太阳能，以及由太阳引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用等； 来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。 能源的分类 常规能源：如煤炭、石油、天然气、薪柴燃料、水能等； 新能源：如核能、太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等。 可再生能源：即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如水能、风能、潮汐能、太阳能、生物质能等； 非再生能源：它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。 人类所面临的能源问题 能源危机——能源资源短缺 煤储量6800亿吨，年消耗35亿吨，可使用200年 石油储量3000亿吨，年消耗40亿吨，可使用70年 能源消费的费用迅速增加——能源资源的勘探、开采越来越难，投入资金多、建设周期长、科技含量高 人类所面临的能源问题 能源对环境的污染 研究和开发储量丰富、无污染的新能源势在必行 二、核能的开发及利用 核能又称原子能或原子核能。它是原子核结构发生变化时发出的能量。核能是一种高度密集的能量，目前地球上还没有任何一种能源可以与之相比。 使原子核内蕴藏的巨大能量释放出来方法有两种 核裂变：重元素的原子核发生分裂反应释放裂变能 核聚变：轻元素的原子核发生聚合反应释放聚变能 核反应 核裂变能 如果1kg铀全部裂变，它放出的原子能相当于2500吨优质煤完全燃烧时所放出的化学能 将原子核裂变释放的核能转换成热能，再转变为电能的系统和设施，称为核电站。 反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行 核反应堆及核电站 链式反应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能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。 核反应堆的结构：核燃料＋慢化剂＋热载体＋控制设施＋防护装置。 核电站是经济的能源 虽然核电站的投资高于燃煤电厂，但是，由于核燃料成本显著地低于燃煤成本，使得目前核电站的总发电成本低于烧煤电厂。 核电站在一些国家已经成为主要的能量来源之一。 截止2005年9月底，全世界正在运行的核电机组443座，分布在31个国家或地区，年发电量占世界总量的16%；反应堆拥有量排名前三位的美国、法国、日本的反应堆总和占全世界的49.4%，装机容量占56.9%。 我国核电站发展情况 1991年12月我国第一座自行设计制造的30万千瓦秦山压水堆核电站并网发电 目前已有6座核电站共11台机组906.8万千瓦先后运行 2020年我国核电装机容量将达到4000万千瓦，占全国电力装机容量的4%。 核聚变能 一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时能释放出17.6Mev的能量，平均每个核子放出能量是裂变的几倍，是化学燃料的几百万倍 作为聚变燃料的氘的储量在地球上是异常丰富的，能为人类提供1025Kw小时的能量，按目前世界能量的消耗率估计可用1010年以上 聚变反应的产物是4He，无放射性，清洁能源。 一座核聚变反应堆，可连续工作3000年之久，可谓“人造太阳” 实现受控核聚变作为工业应用需要四个条件 超高温：把氘和氘等轻元素加热到1—2亿℃，克服粒子相互间的库仑斥力 高密度：使中子的密度达到每立方厘米50万亿个 约束时间长：对等离子体加以约束，使它能维持1秒以上的时间，以保证充分地发生核反应 约束时间长：对等离子体加以约束，即使它能维持1秒以上的时间 保持干净：从原料到容器须高度纯洁，容器在装入核燃料前就必须达到大气压的十亿分之一的高度真空。 大约有20多个国家建造了200余座核聚变实验装置，设计了各种受控热核反应堆发电装置 国际热核聚变实验堆ITER 美国、日本、俄罗斯、欧州共同体决定共同出资兴建 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)——“人造太阳”计划 ITER（道路）：用受控核聚变发电，走和平利用核能的道路，为人类寻找可替代的洁净能源。 在计划提出近20年，选址耗时18年后，全球最大、代表世界未来能源科技最高水平的核聚变反应装置——ITER的建设地点终于滑落法国南部的卡达拉什（Cadarache） 国际热核聚变实验堆ITER 为期30年、投资超过100亿欧元的国际超大型科学合作项目，其意义不亚于国际空间站计划和人类基因组计划 该计划已耗资120亿美元，涉及领域包括超导研究、高真空、环境科学、生命科学、等离子计量和控制、信息通信、纳米材料等多个学科。 2010年前后建成，如果实现, 21世纪中叶有可能建成商业聚变堆并开始实际使用聚变能 我国新一代“人造太阳” 实验装置 200