第二章化学与能源2

1、（一）核裂变能（一）核裂变能 使一个重原子核分裂成为两个或两个以使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程，称为核裂变。上中等质量原子核的过程，称为核裂变。核裂变是取得核能的重要途径之一。核裂变是取得核能的重要途径之一。只有一些质量非常大的原子核，像铀、只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。原子核在发生核钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，裂变时，释放出巨大的能量，1 1克克235235U U完完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.52.5吨煤所产生的能量。吨煤所产生的能量。一、核能一、核能 (Nucle

2、ar Energy) 核能又分重核裂变能和轻核聚变能。人类在利用裂变所放出的能量方面已取得很大进展，现已建成各种类型的原子核反应堆和原子能发电站。轻核聚变时放出的能量要比同质量重核裂变时大几倍，目前人工控制聚变反应以利用其能量的研究正在积极进行。核裂变核裂变 (Nuclear Fission) 又称核分裂，它是将平均结合能比较小的重核，设法分裂成两个或多个平均结合能大的中等质量的原子核，同时释放出核能。重核裂变，一般有自发裂变（核衰变）和感生裂变（外因引起）两种方式。最初，人们曾希望利用自发裂变来获取能量，但是却不能现实，因为一块纯铀在45亿年里才只有半数的原子核发生分裂变化，那么若有100万

3、公斤的纯铀，它每天释放出的能量还不够发 l度电。感生裂变才能获得使用的能量。 居里夫妇在19世纪末到20世纪初投身于寻找新的放射性元素的研究。从大量的沥青铀矿中，经过多次的化学分离和纯制，终于发现和得到了放射性比铀强400倍的元素钋以及比铀强200多万倍的元素镭。这一项艰巨的化学研究打开了20世纪原子物理学的大门。居里夫妇为此荣获了1903年诺贝尔物理奖。1906年居里不幸遇车祸身亡，居里夫人继续专心于镭的研究和应用，测定了镭的原子量，建立了镭的放射性标准。为了纪念居里，在1910年的放射学大会上一致决定把放射性强度的单位定名为居里，沿用至今。要大规模地和平利用裂变能必须满足两要大规模地和平利

4、用裂变能必须满足两个条件个条件: :第一，重核裂变要形成链式反应；第一，重核裂变要形成链式反应；第二，链式反应必须是可控的。实现可第二，链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。控链式反应的装置称为反应堆。151151链式裂变反应的类型：链式裂变反应的类型： 1.自持型。自持型。 2.发散型。发散型。 3.收敛型。收敛型。 204p裂变反应堆的种类裂变反应堆的种类:动力堆动力堆: 是主要用来产生动力的反应堆，一般包括沸水堆、压水堆、重水堆、气冷堆、快中子堆等。生产堆生产堆: 主要是指石墨堆和重水堆，利用生产堆主要是生产易裂变的材料.研究性反应堆研究性反应堆: 用于科学研究的目的，

5、主要是为了对现有技术进行不断完善和改进，它一般包括石墨堆、轻水堆、重水堆、高通量堆。产钚发电两用堆产钚发电两用堆: 其实是动力堆和生产堆的结合，它既可以发电又可以生产钚，是一举两得的反应堆。 反应堆的一般结构为反应堆的一般结构为：裂变材料裂变材料:（铀、钚等）为固态（金属棒、合金、氧化物）或液态（盐溶液、熔融盐）；中子减速剂中子减速剂: 石墨（石墨堆）、重水（重水堆）、普通水（轻水堆），裂变材料放置其中（由于普通水吸收热中子的几率比重水大得多，故轻水堆一般要用浓缩铀作裂变材料）；反射层反射层: 防止中子泄漏，由铍或石墨构成；控制棒控制棒: 由硼和镉构成，当中子增殖太快时插入此棒吸收中子，减缓反

6、应；冷却剂冷却剂: 为液态水、重水或气态空气，循环流动进行热交换（核电站就是通过这种热交换发生蒸气，以推动涡轮机而发电）；防护墙防护墙: 为设置在反射层外的金属壳和1-2米厚的混凝土。链式反应链式反应中子中子鈾鈾-235 核分裂核分裂逃逃逸逸l 放射性废料的危害放射性废料的危害核废料是指含有核废料是指含有、和和辐射的不稳定元素并辐射的不稳定元素并伴随有热产生的无用材料，核废料进入环境后伴随有热产生的无用材料，核废料进入环境后会造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途会造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途径进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就径进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就能杀死生物体

7、的细胞，妨碍正常细胞分裂和再能杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。生，引起细胞内遗传信息的突变。研究表明，孕妇在怀孕初期腹部受过研究表明，孕妇在怀孕初期腹部受过X X光照射，她们生下的孩子与母亲不受光照射，她们生下的孩子与母亲不受X X光照射的孩子相比，死于白血病的概率光照射的孩子相比，死于白血病的概率要大要大50%50%。受放射性污染的人在数年或。受放射性污染的人在数年或数十年后，可能出现癌症、白内障、失数十年后，可能出现癌症、白内障、失明、生长迟缓、生育力降低等远期效应，明、生长迟缓、生育力降低等远期效应，还可能出现胎儿畸形、流产、死产等遗还可能出现胎儿畸形

8、、流产、死产等遗传效应。传效应。 切尔诺贝利核电站切尔诺贝利核电站l 放射性核废料的处理放射性核废料的处理与核能相关的一个最困难的问题就与核能相关的一个最困难的问题就是在开采、燃料生产以及反应堆的是在开采、燃料生产以及反应堆的运行过程中产生的核废料的处理，运行过程中产生的核废料的处理，如何处理这些废料可能将是最终核如何处理这些废料可能将是最终核能使用的最大障碍。目前，核废料能使用的最大障碍。目前，核废料的处理有的处理有“天葬天葬”、“水葬水葬”和和“火葬火葬”三种方法。三种方法。“天葬天葬”：把核废料先固化成玻璃块，装到特制的合把核废料先固化成玻璃块，装到特制的合金棺中，在棺材外面装上隔热外套

9、，然后金棺中，在棺材外面装上隔热外套，然后用航天飞机把它带入预定的轨道，机械手用航天飞机把它带入预定的轨道，机械手随即把它推入太空，再点燃助推火箭将它随即把它推入太空，再点燃助推火箭将它送入送入30003000千米的轨道上，让核废料远远离千米的轨道上，让核废料远远离开人类生活的地球。开人类生活的地球。“火葬火葬”：火葬前，先在地下挖一个深坑，把放射性火葬前，先在地下挖一个深坑，把放射性物质放入坑内，用特制的盖子把坑顶盖好。物质放入坑内，用特制的盖子把坑顶盖好。将空气净化器上的一根导管从盖子上插入将空气净化器上的一根导管从盖子上插入坑内，坑内装个碳电极，电极接通后，坑内，坑内装个碳电极，电极接通

10、后，就会产生一股强大的电流，使坑内的泥土就会产生一股强大的电流，使坑内的泥土温度上升到几百度。温度上升到几百度。在这样的高温下，泥土开始溶化，使核在这样的高温下，泥土开始溶化，使核废料均匀地分布在浆状的泥石溶液里。废料均匀地分布在浆状的泥石溶液里。当溶化的泥石浆冷却后，与核废料一起当溶化的泥石浆冷却后，与核废料一起形成了一种类似天然岩石的坚硬物质，形成了一种类似天然岩石的坚硬物质，其硬度比天然花岗石和大理石更高，渗其硬度比天然花岗石和大理石更高，渗透性更低，而且体积也缩小了好几倍。透性更低，而且体积也缩小了好几倍。最后用泥土把坑封死，一切放射性物质最后用泥土把坑封死，一切放射性物质均被围困在里

11、面，不会外泄。均被围困在里面，不会外泄。“水葬水葬”就是将深海作为核废料的墓场。就是将深海作为核废料的墓场。将核废料装入密封的合金棺，再用混凝将核废料装入密封的合金棺，再用混凝土密封在海底下面。土密封在海底下面。核聚变核聚变 n由由2个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过程叫核聚变，这时也将释放很大的能量。例如程叫核聚变，这时也将释放很大的能量。例如2个氘个氘核（核（12H）在高温下可聚合生成）在高温下可聚合生成1个氦核（个氦核（24He）n核聚变有几个方面比核裂变优越：其一，聚变产物核聚变有几个方面比核裂变优越：其一，聚变产物是稳定的氦核，没有放

12、射性污染产生，没有难于处是稳定的氦核，没有放射性污染产生，没有难于处理的废料；其二，聚变原料氘的资源比较丰富，在理的废料；其二，聚变原料氘的资源比较丰富，在海水中氘和氢之比为海水中氘和氢之比为1.5 10-4：1，地球上海水总，地球上海水总量约为量约为1018吨，其中蕴藏着大量的氘，提炼氘比提吨，其中蕴藏着大量的氘，提炼氘比提炼铀容易得多。炼铀容易得多。 怎样实现受控核聚变反应 必须将氘、氚等核燃料加热到极高温度(大约要 1亿C以上)，在这样高的温度下，氘、氚混合燃料已超出大家非常熟悉的物质三态（即固态、液态和气态）而成为物质的第四种状态，即等离子体等离子体 。四大困难：1是超高温；2是高密度

13、；3是约束时间长；4是保持纯净。正在研究的5种核聚变反应方式1.托卡马可型2.螺旋型3.反转磁约束型4.镜像磁场型5.激光型 208p氢能经济的背景氢能经济的背景n大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变暖，生态环境恶化，自然灾害频发，造暖，生态环境恶化，自然灾害频发，造成的损失逐年增加。成的损失逐年增加。n化石能源储量有限，消耗加快。化石能源储量有限，消耗加快。n能源结构单一，过渡依赖化石能源。能源结构单一，过渡依赖化石能源。n经济增长、环境保护和社会发展的压力。经济增长、环境保护和社会发展的压力。（二）理想的新能源（二）理想的新能源氢能氢能氢能的优点：氢能的优点

14、：1.热值高。热值高。2.易燃烧。易燃烧。3.原料来源丰富原料来源丰富(水水) .4.清洁无污染清洁无污染。5.应用范围广。应用范围广。202p氢气作为能源遇到的两个问题氢气作为能源遇到的两个问题 一、氢气的制备一、氢气的制备（）热化学工艺制氢（）热化学工艺制氢热化学工艺主要是将碳水化合物热化学工艺主要是将碳水化合物( (煤、石煤、石油、天然气、生物质等油、天然气、生物质等) ) 输入高温化学反输入高温化学反应器应器 ，生成由，生成由H2、CO 、CO2 和和 CH4 等等组成的合成气体组成的合成气体 ，然后进行重整和水气，然后进行重整和水气置换反应来提高氢的产量置换反应来提高氢的产量 ，最后

15、将氢气，最后将氢气分离提纯得到可以用做交通燃料的氢气。分离提纯得到可以用做交通燃料的氢气。（2 2）电解水制氢工艺）电解水制氢工艺该反应只要对电解槽通入直流电即可进该反应只要对电解槽通入直流电即可进行，操作简单，效率较高行，操作简单，效率较高 ，现在已经发，现在已经发展了多种电解槽，如碱性电解槽、质子展了多种电解槽，如碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽等。交换膜电解槽和固体氧化物电解槽等。理想的氢能源示意图理想的氢能源示意图 二、氢气的储存二、氢气的储存气体储存气体储存液体储存液体储存 近年来，大量的研究集中近年来，大量的研究集中在碳纳在碳纳米管储氢方面，米管储氢方面，主要是人们认

16、主要是人们认为碳纳米为碳纳米管的储氢容量高，理论上管的储氢容量高，理论上可达可达10%10%。（三）生物质能（三）生物质能1 1、来源、来源生物质能生物质能 : :生物质能蕴藏在动物、植物、微生物体内，生物质能蕴藏在动物、植物、微生物体内，它是由太阳能转化而来的，可以说是现代的、可以再生它是由太阳能转化而来的，可以说是现代的、可以再生的的“化石燃料化石燃料”，它可以是固态、液态或气态。，它可以是固态、液态或气态。 2 2、分类、分类 生物质能主要有以下几大类：生物质能主要有以下几大类： 城市垃圾，包括工业、生活和城市垃圾，包括工业、生活和商业垃圾，全球每年排放约商业垃圾，全球每年排放约 100

17、 100 亿吨；亿吨； 有机废水，包括工业有机废水，包括工业废水和生活污水，全球每年排放约废水和生活污水，全球每年排放约 4500 4500 亿吨；亿吨； 粪便类，牲粪便类，牲畜、家禽、人的粪便等，全球每年排放数百亿吨以上；畜、家禽、人的粪便等，全球每年排放数百亿吨以上； 林业林业生物质，包括薪柴、枝丫、树皮、树根、落叶、木屑、刨花等；生物质，包括薪柴、枝丫、树皮、树根、落叶、木屑、刨花等； 农业废弃物，包括秸秆、果壳、果核、玉米芯、甜菜渣、蔗渣农业废弃物，包括秸秆、果壳、果核、玉米芯、甜菜渣、蔗渣等；等； 水生植物，包括藻类、海草、浮萍、水葫芦、芦苇、水水生植物，包括藻类、海草、浮萍、水葫芦

18、、芦苇、水风信子等；风信子等； 能源植物，是一些生长迅速，轮伐期短的乔木、能源植物，是一些生长迅速，轮伐期短的乔木、灌木和草本植物，包括棉籽、芝麻、花生、大豆等。灌木和草本植物，包括棉籽、芝麻、花生、大豆等。 n燃料直接燃烧时，热量利用率很低，仅燃料直接燃烧时，热量利用率很低，仅15 左右，现用节柴灶热量利用率最多也只能达到左右，现用节柴灶热量利用率最多也只能达到25 左右，并且对环境有较大的污染。左右，并且对环境有较大的污染。 n经过发酵或高温热分解等方法可以制造甲醇、经过发酵或高温热分解等方法可以制造甲醇、乙醇等干净的液体燃料。乙醇等干净的液体燃料。 n生物质若在密闭容器内经高温干馏也可以

19、生成生物质若在密闭容器内经高温干馏也可以生成一氧化碳一氧化碳(CO)、氢气、氢气(H2)、甲烷、甲烷(CH4)等可燃等可燃性气体，这些气体可用来发电。性气体，这些气体可用来发电。 n生物质还可以在厌氧条件下生成沼气生物质还可以在厌氧条件下生成沼气。3 3、生物质能利用的现状、生物质能利用的现状 n此外科学家们还成功地培育出若干植物新此外科学家们还成功地培育出若干植物新品种，如巴西的香胶树品种，如巴西的香胶树(亦称石油树亦称石油树)，每株，每株年产年产50 kg左右与石油成分相似的胶质。美左右与石油成分相似的胶质。美国人工种植的黄鼠草，每公顷可年产国人工种植的黄鼠草，每公顷可年产6000 kg石

20、油，美国西海岸的巨型海藻，可用以石油，美国西海岸的巨型海藻，可用以生产类似柴油的燃料油。把生物质转化为生产类似柴油的燃料油。把生物质转化为可燃性的液体或气体是使古老能源焕发青可燃性的液体或气体是使古老能源焕发青春的途径。春的途径。 电池的分类：电池的分类：电池按照其使用性质电池按照其使用性质的不同可以分为的不同可以分为干电干电池、蓄电池、储备电池、蓄电池、储备电池和燃料电池池和燃料电池等几大等几大类。类。 银锌钮扣电池银锌钮扣电池 钮扣式电池中常见的为银锌电池。银锌电池钮扣式电池中常见的为银锌电池。银锌电池体积小、重量轻，可大电流放电，放电电压体积小、重量轻，可大电流放电，放电电压平稳，工作电压是