第六章物理学与能源科学

第六章物理学与能源科学2023/6/231第一页，共五十三页，编辑于2023年，星期五第六章

物理学与能源科学

第一节

能源的概况、利用和开发一、能源分类二、常用能源

三、我国能源现状第二节

核能的开发和利用一、核能的发展历程二、重核裂变的可控性三、核电的优势及发展概况第三节

可控的核聚变反应

第二页，共五十三页，编辑于2023年，星期五第一节

能源的概况、利用和开发

能源是为人类的生产和生活提供各种能力和动力的物质资源，是人类社会活动的物质基础。

第三页，共五十三页，编辑于2023年，星期五一、能源分类

来自地球以外的

主要是太阳辐射能。除了太阳直接照射到地球的光和热外，传统能源煤、石油、天然气、生物质能也都间接地来源于太阳。地球本身蕴藏的

如地球内部的地热能，地壳中保留的核燃料（铀、钍、锂等）所储存的核裂变能，海洋中氘、氚储存的核聚变能等。地球与其他天体相互作用产生的

地球和月亮、太阳等天体相互作用所产生的能量，如风能、潮汐能等。

按照能源来源划分第四页，共五十三页，编辑于2023年，星期五太阳向地球辐射能量太阳能第五页，共五十三页，编辑于2023年，星期五直接利用太阳能光合作用空气、地表吸热煤炭食物中的化学能太阳能第六页，共五十三页，编辑于2023年，星期五太阳灶航天器太阳能热水器太阳能发电装置第七页，共五十三页，编辑于2023年，星期五地热能

第八页，共五十三页，编辑于2023年，星期五冰岛地热西藏羊八井地热电站，是我国最大的地热电站第九页，共五十三页，编辑于2023年，星期五潮汐能潮汐的形成

因月球引力的变化导致海水平面周期性地升降，因海水涨落及潮水流动所产生的能量，称为潮汐能。潮汐导致海水平面的升高与降低呈周期性。每一月份满月和新月的时候，太阳、地球和月球三者排列成一直线。此时由于太阳和月球累加的引力作用，使得产生的潮汐较平时高，此种潮汐称为春潮（大潮）。当地球、月球和地球、太阳成一直角，则引力相互抵消，因此而产生的潮汐较低，是为小潮。第十页，共五十三页，编辑于2023年，星期五浙江温岭江厦潮汐发电站，是世界第三大潮汐发电站。第十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期五潮汐能法国郎斯潮汐电站潮汐能发电第十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期五世界海洋潮汐能蕴藏量大约为27亿千瓦，如全部转化成电能，每年发电量大约为1.2万亿度。潮汐能不仅无污染，而且和海浪能、风能、太阳能这些再生能源相比还有其优势，潮汐能可以不间断地发电，而海浪能、风能、太阳能在较大程度上受气候的影响。因此，如何开发和利用潮汐的巨大能量已成为当前许多国家研究的课题。2003年第一座商用水下潮汐能发电站在挪威并网发电，预计5年内将有10万人用上这种新能源。

第十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期五按能源是否可从自然界得到补充

可再生能源非再生能源两大类

太阳能、水能、生物质能（柴草）、风能、潮汐能、地热.煤炭、石油、天然气等化石燃料

第十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期五二、常用能源

1、煤炭

世界煤炭资源分布图第十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期五

人类开发利用煤炭的历史悠久，早在2000多年前的我国春秋战国时期，就已用煤作燃料。18世纪60年从英国开始的产业革命，使能源结构发生第一次革命性变化从生物质能转向了矿物能源，既由木炭转向了煤炭。至今煤炭仍是人类最重要的能源之一。煤炭的形成第十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期五采煤向来是一项最艰苦的工作，当前正在花较大的力量来改善工作条件。由于煤炭资源的埋藏深度不同，一般相应的采用矿井开采（埋藏较深）和露天开采（埋藏较浅）两种方式。可露天开采的资源量在总资源量中的比重大小，是衡量开采条件优劣的重要指标，我国可露天开采的储量仅占7.5%，美国为32%，澳大利亚为35%；我国煤矿中含瓦斯比例高，高瓦斯矿井占40%以上。我国采煤以矿井开采为主，如山西、山东、徐州及东北地区大多数采用这一开采方式，也有露天开采，如内蒙古霍林河煤矿就是我国最大的露天矿区。第十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期五2、石油第十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期五

地区采储量(亿吨)年产量(亿吨)中东

990

10.94欧洲及独联体

146

8.18

中南美

146

3.40

非洲

135

3.98

北美洲

886.72

亚太地区

643.76

合计

156936.98

第十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期五

在浅海、湖泊中有大量微小水生物繁殖。当它们死亡后就沉积在湖底，形成一层富含有机质的淤泥。随着埋藏成岩作用的进行，压力和热使有机体首先转化为各种不同的干酪根，然后在温度升高的情况下，分解转化为石油或天然气。石油的形成第二十页，共五十三页，编辑于2023年，星期五第二十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期五3、水力第二十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期五水力发电第二十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期五葛洲坝水力发电站第二十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期五

当今世界最大的水电站---伊泰普水电站。位于巴拉那河流经巴西与巴拉圭两国边境的河段。这条河水流量大，水流湍急。两国政府共同开发水力资源，历时16年，耗资170多亿美元，大坝全7744米，196米，拦腰截断巴拉那河，形成面积1350平方千米、库容290亿立方米的人工湖。电站年发电量可达750亿度。第二十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期五

三、我国能源现状

我国的能源结构第二十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期五我国和世界的能源消耗第二十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期五十五期间我国能源消耗情况第二十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期五要满足巨大的能源需求，无外乎选择以下两种供应路线，一是“节流”,立足于国内资源条件，加强煤炭的清洁利用，保持以煤为主的能源供应结构；二是“开源”,加大力度开发和安全利用新能源。我国的能源战略根据国际能源机构的统计，地球上的石油、天然气、煤供人类开采的年限，分别只有40年、50年和240年。第二十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期五开发新能源太阳能核能沼气地热潮汐 可燃冰第三十页，共五十三页，编辑于2023年，星期五

第二节

核能的开发和利用

核能是通过原子核发生反应而释放出的巨大能量。瑞士的核电站第三十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期五1939年，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象哈恩费密一、核能的发展历程

教学录象片：核裂变第三十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期五获得核能的两条途径是：裂变当235U核吸收一个中子后，就会形成复合236U核，而236U核是不稳定的，它很快发生形变由椭球形进而变成不对称的哑铃形，然后发生断裂，成为两个略有大小差异的产物核，同时放出若干个中子，下图为复合核裂变示意。一个重核在中子的轰击下分裂成高能碎片的反应叫做核裂变

第三十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期五当中子撞击铀原子核时，一个铀核吸收了一个中子可以分裂成两个较轻的原子核，在这个过程中质量发生亏损，因而放出很大的能量，并产生两个或三个新的中子。

重核裂变链式反应第三十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期五聚变两个轻核发生碰撞结合成重核的反应叫做核聚变.聚变需要在几百万摄氏度的高温下才能发生，因此聚变又叫热核反应.演示:聚变第三十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期五二、重核裂变的可控性

费米世界上第一座核反应堆

第三十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期五1942年，费密建立了第一个链式裂变反应堆。第一个链式裂变反应堆第三十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期五

如果对裂变的链式反应不加控制，在极短时间（约百万分之几秒）会释放出大量核能，发生猛烈爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的.

中国第一颗原子弹爆炸第三十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期五

原子弹（氢弹）的破坏力表现在三方面：光辐射：当核弹爆炸后，最先看到的是极强的光。这种强光可以引发近处的一切物体的燃烧，即使对距离很远处的人或动物也可以导致眼睛失明。中子和γ辐射：这种强粒子辐射可以立即使人和动物死亡，也可能使人患放射病。冲击波：它可推倒建筑物、杀伤人员。影视资料片：我国第一颗原子弹

两弹一星第三十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期五为便于和平利用核能，必须控制链式反应的速度，使核能缓慢而又平稳地释放出来.为此，人们制成了一种专门装置——核反应堆.核反应堆能缓慢、平稳地释放核能.核反应堆通常采用热中子堆，常用的有压水堆、重水堆、石墨堆等。反应堆的堆心是原子能发电站的心脏，其中有燃料棒、慢化剂、冷却剂和控制棒（镉棒）。通过镉棒的插入和拔出就可以控制反应堆的运行。冷却剂用来冷却燃料棒，并通过热交换器将热量送到无放射性的发电部分，供发电使用。第四十页，共五十三页，编辑于2023年，星期五研究性重水反应堆中国1980年建成的高通量工程试验堆堆芯第四十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期五三、核电的优势及发展概况

在传统的能源构成中，火力发电和水力发电都有其局限性。而核电作为一种新型的能源，具有得天独厚的优越性。它利用地球中蕴藏丰富的放射性同位素铀的裂变反应产生的巨大的能量来发电，效率既高又不污染环境。

核电虽然造价较高，但运行成本低于火电。核电站只需消耗很少的核燃料，就可以产生大量的电能，每千瓦时电能的成本比火电站要低20％以上。核电站还可以大大减少燃料的运输量。而且环境污染也比火电小得多，作为一种极好的能源，将来一定会在全世界广泛推广使用。影视资料片：核能第四十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期五核电站的发展现状1954年，前苏联建成了世界上第一座热中子核电站，而后被世界各国广泛推广。目前现状：世界上已经投入运行的热中子核电站已有428座，遍布各大洲34个国家和地区，总装机容量已达4亿多千瓦，约占世界发电总量的1/5。美国占首位，约占世界的1/3，其次为法国、日本、德国和俄罗斯。法国已有57座核电站在运行，发电量占其全国总发电量的77%，为世界之最。我国目前仅有秦山核电站和大亚湾核电站两座，装机容量仅占总装机容量的1%左右。第四十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期五秦山核电站鸟瞰第四十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期五

秦山核电站的原理示意图演示:核反应堆第四十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期五第三节

可控的核聚变反应

核裂变虽然能产生巨大的能量，但远远比不上核聚变，裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅产生强大的辐射，伤害人体，而且遗害千年的废料也很难处理，核聚变的辐射则少得多，核聚变的燃料可以说是取之不尽，用之不竭。

从聚变反应可推算，1克氘发生热核聚变时放出的能量为10万千瓦时，也就是10万度电能。地球上共有175亿亿吨海水，其中含氘35万亿吨，如果都能用来发电，可以想象足够人类用上几百亿年，再也不会有什么“能源危机”了。

第四十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期五利用核聚变制造出来的氢弹威力惊人影视资料片：氢弹第四十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期五中国制造的第一颗氢弹第四十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期五磁约束聚变氢弹中释放的能量是爆炸式的，虽然在其中实现了自持热核反应，但无法用于民用能源，所以，要用热核反应作为能源，首要之事是寻找能实现自持的方式和条件：上亿度高温+不导热容器。

太阳给了我们启发：太阳是一团进