化学与能源-课件

社会Chem与第四章化学与能源大家好社会Chem与第四章化学与能源大家好1主要内容

第1节常规能源

第2节原子核能

第3节新能源2大家好主要内容

第1节常规能源

第2节原子核能

第3节新能第2节原子核能3大家好第2节原子核能3大家好原子能原子结构•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-4大家好原子能原子结构4大家好氢及同位素•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.

5大家好氢及同位素•氢--H5大家好同位素标记水(15Oor19O)研究植物的生化过程14carbon研究文物的年代6大家好同位素标记水(15Oor19O)研究植物的生化过程14c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7大家好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，原子研究的诺贝尔奖The NobelPrizeinPhysics1903AntoineHenriBecquerel"inrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbyhisdiscoveryofspontaneousradioactivity”发现自发放射现象

8大家好原子研究的诺贝尔奖The NobelPrizeinPhThe NobelPrizeinPhysics1903PierreCurie&MarieCurieMarieCuriewasthefirstwomantoteachattheSorbonneinParis,andthefirstwomantoreceiveaNobelPrize.

"inrecognitionoftheextraordinaryservicestheyhaverenderedbytheirjointresearchesontheradiationphenomenadiscoveredbyProfessorHenriBecquerel“放射现象的研究9大家好The NobelPrizeinPhysics190TheNobelPrizeinChemistry1911MarieCurie1867-1934France,SorbonneUniversity,Paris,France“inrecognitionofherservicestotheadvancementofchemistrybythediscoveryoftheelementsradium(镭)andpolonium(钋),bytheisolationofradiumandthestudyofthenatureandcompoundsofthisremarkableelement"10大家好TheNobelPrizeinChemistry1The Curies’ work

Theyeventuallyprepared1g(0.04oz)ofpureradiumchloridefrom8metrictonsofwastepitchblende(废沥青油矿)fromAustria.8吨制备出1克!!!!!11大家好The Curies’ workTheyeventuaMarie Curie’s Notebooks

MarieCuriediedofleukemia(白血病)broughtonbyherprolongedexposuretoradioactivity.Thenotebookssheusedarestillradioactive.12大家好Marie Curie’s NotebooksTheNobelPrizeinChemistry1934“forhisdiscoveryofheavyhydrogen(重氢[氘])"

HaroldClaytonUreyUSAColumbiaUniversityNewYork,NY,USA1893-198113大家好TheNobelPrizeinChemistry1TheNobelPrizeinChemistry1944

“forhisdiscoveryofthefissionofheavynuclei(核裂变)"OttoHahn ,1879-1968,GermanyKaiser-Wilhelm-Institut(nowMax-PlanckInstitut)fürChemie,Berlin,Germany14大家好TheNobelPrizeinChemistry1

TheNobelPrizeinChemistry1960"forhismethodtousecarbon-14foragedeterminationinarchaeology,geology,geophysics,andotherbranchesofscience"WillardFrankLibby,1908-1980,USAUniversityofCaliforniaLosAngeles,CA,USA15大家好TheNobelPrizeinChemi60Co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）16大家好60Co产生及利用•用中子轰击59Co（钴源）可得6060Co放射治疗17大家好60Co放射治疗17大家好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18大家好核技术在医疗中的应用•各种扫描仪（正电子发射断层扫描）18大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19大家好爱因斯坦产生的能量供100W电灯使用：19大家好核反应核反应有两种形式：核聚变和核裂变20大家好核反应20大家好核裂变：由中子轰击原子核产生，U235的裂变产物可能有30-40种之多21大家好核裂变：由中子轰击原子核产生，U235的裂变产物可能有30-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22大家好小男孩原子弹LittleMan-广岛原子弹22大家好Nuclear-PoweredAircraftCarrierAbrahamLincoln23大家好Nuclear-PoweredAircraftCarriNuclearBombsNuclearweaponsarethemostpowerfulanddestructiveexplosivesinexistence.Modernnuclearweapons,whichmayhavethepowerofseveralmilliontonsofTNT,generallyhave8to40timesmoreexplosive

powerthanthe“LittleBoy”and“FatMan”bombsthatdevastatedHiroshimaandNagasakiin1945.24大家好NuclearBombsNuclearwea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。25大家好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贫铀（Deplete Uranium)的直接放射性危害远不如天然铀26大家好贫铀（Deplete Uranium)的直接放射性危害远不如一、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27大家好一、引起造血障碍；贫铀弹的五大危害27大家好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。

28大家好核裂变能的和平利用核电站的优点与缺点优点：高效发电28大家好2005－2010年发电成本比较据铀研究所报道：1997年币值，美分/kWh29大家好2005－2010年发电成本比较据铀研究所报道：1997年币目前世界共有

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30大家好目前世界共有441座核电站运行268座压水堆核电站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

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大家好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31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)大家好秦山一期核电厂300MW大亚湾核电厂2×900MW1994年32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月并网发电大家好我国核电发展现状(运行核电站)秦山二期650MW核电站33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月并网发电大家好我国核电发展现状(运行核电站)江苏田湾核电站34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。

大家好进入批量化加快发展阶段

2020年核电规划容量将达35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月陆续开工大家好我国核电发展现状(已开工项目)辽宁红沿河核电站福36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月开工大家好我国核电发展现状(已开工项目)福清核电站6X1000MW方37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月开工大家好我国核电发展现状(已开工项目)三门核电站38我国核电发展现状(已开工项目)

台山核电站2010年4月15日开工大家好我国核电发展现状(已开工项目)

台山核电站2010年4月39我国核电发展现状(已开工项目)

昌江核电站2010年4月25日开工大家好我国核电发展现状(已开工项目)

昌江核电站2010年4月40已审查初可研报告的厂址

大家好已审查初可研报告的厂址大家好41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

42大家好核（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。43大家好美国研制“便携式”核电站•英国《新科学家》周刊2004年太阳发生核聚变44大家好太阳发生核聚变44大家好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。45大家好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。46大家好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Ｕ235氘、氚爆炸裂变聚变氘、氚、重氢化钾等铀235外壳普通炸药大家好核聚变的利用——氢弹弹体引爆装置小型原子弹三种炸药：普通炸药47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+3H→4He+1n+核聚变能

该反应是靠原子弹爆炸的高温引发的。太阳

48大家好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氢弹爆炸形成的磨姑云大家好氢弹爆炸形成的磨姑云大家好49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。50大家好人类第一枚氢弹1952年11月1日，人类第一枚氢弹“麦克”在钱三强

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。51大家好钱三强•中国原子能事业的开拓者和奠基人之一。51大家好氢弹破坏力没有极限

“麦克”爆炸后，核物理学家们明白了这样一个事实：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。52大家好氢弹破坏力没有极限“麦克”爆炸后，核物理学家们明白了受控核聚变装置53大家好受控核聚变装置53大家好TokamakFusionReactor(托卡马克受控热核反应装置)

In1993scientistsattheTokamakFusionTestReactor,atPrincetonUniversity’splasmaphysicslaboratoryinNewJersey,producedacontrolledfusionreaction,duringwhichthetemperatureinthereactorsurpassedthreetimesthatofthecoreofthesun.54大家好TokamakFusionReactor(托卡马克受控热受控核聚变反应---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。55大家好受控核聚变反应---能量逐步释放？•反应条件：100亿C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。56大家好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-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。57大家好中国探月工程的一个重要科学目标氦-3是一种比铀、氘、第3节新能源58大家好第3节新能源58大家好

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59大家好氢能主要内容59大家好一、氢能氢在周期表中是第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,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:160大家好一、氢能氢在周期表中是第1号元素，相对原子量是1.000氢气是最清洁的燃料①氢的原料是丰富的水，没有资源的限制②氢的燃烧生成物是水，不污染环境③氢来自水燃烧后又回归于水，不影响地球上的物质循环④与电力储藏困难相反，氢能储藏很容易⑤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⑥氢能可由燃料电池直接用来发电⑦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⑧氢可广泛用作化工等的原料61大家好氢气是最清洁的燃料①氢的原料是丰富的水，没有资源的限制61大

氢能的实用化，尚待解决以下技术难题：廉价的制氢技术——基础安全可靠的贮氢和输氢方法——关键高效率地转换氢能的技术开发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？62大家好氢能的实用化，尚待解决以下技术难题：氢能经济为何迟迟未能全制氢技术介绍用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，但消耗化石燃料制H2从能源角度讲毫无意义。63大家好制氢技术介绍用H2O制氢：实验室制氢：Na,Ca与H2O反应

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5.2×1023KW.h/s，其中1／22亿传到地球，2.8×1024J/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64大家好取之不竭，使用方便，能再生，无污染。（每秒钟相当于二、太阳能65大家好二、太阳能65大家好（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66大家好（2）光－电转换太阳能发电站目标：沙漠地带铺设带有硅电池的集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67大家好生物柴油的特点燃烧热值稍低，倾点较高，影响低温启动三、生物生物柴油的制造植物油与甲醇（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化学法液碱催化固体碱催化二段催化酶催化68大家好生物柴油的制造植物油与甲醇（乙醇）酯交换制得68大家好CH2OCOR1CHOCOR23CH3OHCH2OCOR3CH2OHCHOHCH2OHCH3OCOR1CH3OCOR2CH3OCOR3催化剂酯交换法反应机理：++生物柴油的制造69大家好CH2OCOR1CHOCOR2意义：超清洁柴油有利于增产柴油、调整柴汽比减少原油进口，多一条运输能源安全保障的途径多一条农林业增产、增收途径问题：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70大家好意义：生物柴油的制造70大家好二甲醚(Dimethylether)，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71大家好二甲醚(Dimethylether)，简称DME，化学分子二甲醚生产工艺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。72大家好二甲醚生产工艺四、二甲醚二步法72大家好二甲醚应用用于生活：DME在排放与燃烧方面都优于LPG。用于燃气轮机的燃料：建立以DME为燃料的电厂。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。作为高附加值化工产品的中间原料：如CH3OOH(醋酸)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。73大家好二甲醚应用四、二甲醚二甲醚对液化气钢瓶有腐蚀作用，易造成阀门“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74大家好“可燃冰”简介99%甲烷＋其他炭氢气体和水正在燃烧的“可燃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75大家好形成条件温度不能太高：2℃-4℃，适合“可燃冰”的形成，五、1、应用优点：能源角度：1m3可燃冰=164m3甲烷+0.8m3水；能量密度