物理学与能源

物理学与能源

能源是人民生活和经济发展的主要基础，人类社会的进步离不开能源科学的发展，包括如何向大自然索取能源、先进能源技术的使用以及新能源的不断开发．

一、物理学与能源

在人类能源利用史上大致有四个重要发展阶段: 1、火的使用2、蒸汽机的发明和利用(18世纪初) 3、电能的使用(19世纪初) 4、原子能的利用(20世纪下半叶) 。后三个阶段是与物理学的发展紧密联系的，正是物理学的发展为能源科学的发展和能源的利用提供了理论基础和实验基础。 当前能源革命的两大重点是开发新能源和提高能源的利用效率。物理学从理论和实验两个方面，为新能源的开发，利用提供新的途径和方法，如核电站的发展、太阳能、地热能、海洋能、风能的利用以及可控热核聚变的研究等等。

二、能源概况

1、能源及其分类

1来自地球外天体的能量 2地球本身蕴藏的能量(如地球内部的地热能) 3由于地球和月亮、太阳等天体相互作用所产生的能量

按能源的形成分为：一次能源(如煤、石油、风，水等)；二次能源 [如电力、各种石油制品(汽油、煤油、柴油)等]

按能源的使用情况分为：燃料能源（为不可再生能源）；非燃料能源（是可再生能源）．

通常还将能源分为：常规能源、新能源

2、能源与环境

利用能源的过程也直接污染着地球环境。燃料燃烧时产生大量的污染物，使大气和水质产生污染；大气污染所造成的危害有：酸雨问题，温室效应和臭氧层破坏；为了保扩我们的“地球村”，保护人类的健康，保持生态平衡，必须改变能源结构，开发和利用新能源，减少化石燃料的使用，以及合理使用能源，减少污染物质的排放。当前世界能源消费以化石资源为主。新能源的开发和利用是解决人类日益增长的能源需求的根本途径之一。

三、核能

1.核能的来源

“核能”起源于将核子(中子与质子)保持在原子核中的一种很强的作用力——核力。

根据爱因斯坦的质能关系E=mc 2这一关系说明原子核内蕴藏着巨大的能量，使人们看到了利用核能的可能性和重要性。人们将这种由核子结合成原子核时所放出的能量叫做原子核的总结合能。

2.核能的发现

平均结合能随原子核中的核子数不同而不同。随着核内核子数的改变，各种原子核结合的紧密程度是不一样的，这可从它们不同的平均结合能上反映出来。由此可得出两种利用核能途径——核裂变与核聚变

3.裂变能

Ⅰ．裂变的发现：1934年，意大利科学家费米和他的同事们利用中子去轰击从轻到重的几十种原子核。1938年，约里奥·居里夫人和她的同事们在用慢中子照射铀盐时，分离出了放射性核素“澜”(Z ＝57)。1939年，哈恩和斯特拉斯曼发现了放射性核素钡(Z=56)梅特纳和弗里希作出了正确的解释并首次提出裂变现象。实验表明，裂变主要是两分裂。1947年，我国物理学家钱三强和何泽彗夫妇进一步发现了裂变的三分裂和四分裂现象。

Ⅱ、裂变过程：实验和理论都表明，能量低到只有0.025eV 的中子(称为热中子，相当在室温T ＝293开时的中子)与235U 结合时，引起裂变的几率才很大。当235U 俘获热中子后，将复合成236U(称复合核)。此时，将有6.55兆电子伏的结合能放出，使236U 处在高度激发的状态，相当于一个高温的液滴。于是，核要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球，且越拉越长，逐渐形成质量、大小不等的两部分。此时，由于“液滴”的表面张力将要使它恢复原状，回到球形，但由于不同大小两部分间的库仑斥力将使此液滴继续拉长。这两种力相互竞争，一旦此复合核激发能足够高。最终使液滴一分为二，裂成两个碎片。同时放出若干个中子。在自然界，235U 是仅有的能由热中子引起裂变的核，称为易裂变核。另外人工制备的239Pu 也是一个可由热中子引起裂变的易裂变核。 Ⅲ、科学的矛盾心理：匈牙利青年物理学家西拉德，靠他敏锐的想象力，清晰地意识到了将来可能要开展一场原子武器的竞赛。

这是科学有史以来最奇怪的现象，科学家的功能就是在求得科学的进步，将“不能”变为“可能”；现在却因为科学的进步会带来严重后果，竟然希望科学

不要继续，实验不要成功。这充分说明，科学在与道德发生冲突的时候，科学家的社会责任感在行为中反映出的矛盾心理。

Ⅳ、衰变链及裂变能释放的分配： 平均来说，一次裂变将有2.4个中子放出。一次裂变所释放能量为200兆电子伏，分配如下：轻重碎片的动能170兆电子伏；裂变中子的动能 5兆电子伏；裂变产物所释放的β和γ的能量15兆电子伏；与β相伴的中微子能量10兆电子伏

4.链式反应

Ⅰ、链式反应：（1）链式反应的可能性----中子增殖；（2）链式反应可以控制——缓发中子

在这2.4个中子中包括了瞬发中子和缓发中子两类。缓发中子是很少的，只占0.66%。使我们有足够的时间去控制反应。

Ⅱ、可控链式反应的实观：维持链式反应的充分必要条件：中子产生数 中子消耗数≥l ；中子必须慢化：因为在裂变中所放出的第二代中子属235236*14489929256363+

→→++n U U Ba Kr n 235

236*14094929254382+→→++n U U Xe Sr n

快中子，必须把它慢化到热中子。为此，在反应堆中要用慢化剂，使中子慢化，常用的慢化剂是水(H2O)、重水(D2O)和石墨(C原子组成)；用控制棒控制反应速率：反应堆的控制主要是控制缓发中子的数量；原子弹：原子弹利用的是没有慢化剂且不加以控制的链式反应。

5.核电站

利用原子核裂变反应所放出的核能，由冷却剂带出，把水加热为蒸气，驱动汽转发电机组进行发电的发电厂。包含两个回路系统：一回路系统是核蒸气供应系统；二回路系统是蒸气驱动汽轮发电机组进行发电的系统。反应堆：是以铀（钚或铀钚混合物）作核燃料实现可控核裂变链式反应的装置，是核电站的核心装置。反应堆的基本结构主要由堆芯，反射层，控制棒，堆容器和平比层构成。反应堆类型有：压水堆，重水堆，沸水堆和快堆等。

以秦山核电站为例来对核电站结构作具体说明：1．采用压水堆2．设有四道屏障：第一道屏障——燃料芯块；第二道屏障——燃料包壳；第三道屏障——压力壳；第四道屏障——安全壳

6.核电的优势及发展概况

优势：(1) 核电成本比煤要低(2) 环境污染要比燃煤电站小得多(3) 运行安全可靠

核电站安全目标有两个指标，一是反应堆堆芯熔化率(简称堆熔概率)，二是大规模释放放射性物质的概率(简称释放概率)。

7.新一代核电站的研发

中国的聚变-裂变混合堆研究始于1980年，大体可分以下三个阶段：1980－1985年，初始物理概念研究阶段；1986－1990年，实施“863 ”计划第一阶段：(1)确定混合堆在我国能源发展中的战略地位(2)进行概念设计(3)开展了下列工作：堆芯等离子体实验；积分中子学实验；氚工艺；混合堆材料研究；1991－2000年，实施“863 ”计划第二、三阶段：在借鉴ITER EDA经验的同时，ASIPP与SWIP进行联合设计，完成了实验混合堆的详细概念设计和关键技术工程概要设计。开展了多功能混合堆的研究。

8. 控热核聚变反应

最理想的清洁能源当然是聚变能。聚变反应：氘(D)—氚(T)反应，在一次反应中可放出17.6电子伏的能量，平均每个核子所放能量为3.5兆电子伏，是裂变反应中平均每个核子放出0.85兆电子伏能量的四倍．一升海水中的氘→300多升汽油；反应产物几乎是无放射性的。

太阳中的热核聚变反应——引力约束：太阳的巨大质量所产生的引力．把太阳上的高温等离子体约束在一起，维持热核反应的进行。太阳中心107K温度不算高，质子的动能不足以克服两质子间的库仑势垒．所以太阳中聚变是靠势垒贯穿的量子效应来实现的。

磁约束装置：可控热核聚变的最有希望的途径是利用磁约束。即利用磁场将高温高密等离子体约束在一定的容积内，且维持足够长时间，使其达到“点火”条件。磁压缩装置种类很多。其中最有希望的是环流器，又称托卡马克(ToknmRk)装置。这种环形装置以及螺旋型磁场，不仅使约束的等离子体没有直线型装置中的终端损失(逃逸出去)，而且有利于克服放电柱的不稳定性以及粒子横越磁场的漂移而引起的碰壁损失。

惯性约束核聚变——激光核聚变：氢弹本质上是靠惯性约束来实现聚变反应的，但无法人工控制。基本想法是，利用强激光从许多方向上同时轰击氘和氚的混合燃料丸(微小球体，直径几毫米)，在激光的高能量照射下很快使D—T微球表面层形成等离子体．这种高温等离子体在向外飞溅的同时，可产生很强的向内的惯性约束，使内层氘和氚混合物的密度迅速增加，小球直径可减少到原来的三十分之一，甚至更小。小球内温度可达5107K，最终达到或超过劳逊判据条件，引起热核聚变。目前，强激光功率已超过1012瓦．激光惯性约束下聚变反应虽能够发生，但离达到向裂变那样的人工可控制的自持反应路途还很遥远。

四、新能源

为缓解能源供应紧张的矛盾，各国科学家都在努力研究，积极寻找新能源。本世纪，风能、海洋能、太阳能、生物能、地热能、氢能等都将成为人类广泛应用的新能源。

风能：风能是由于太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，而引起的空气流动所产生的能量。

海洋能：潮汐能：海水潮汐运动是指海水每昼夜有两次涨落，一次在白天，称为潮；另一次在晚上，称为汐。海浪能（波能）：据科学家推测，地球上海洋波浪蕴藏的电能高达90万亿千瓦。温差能：海水表面吸收了大量的太阳辐射后，温度一般为25—28°C，而深层海水温度只有3～6°C，从而形成了大约20°C的垂直温差。

太阳能：太阳辐射功率为3.8⨯1026瓦。到达地面的辐射功率约8.6 ⨯1016瓦，相当每秒燃烧300万吨标准煤当量。一年约100万亿吨标准煤当量，差不多是目前全世界人类一年的能源消耗量的l 万倍。应用太阳能不会引起大气污染，不会破坏生态平衡，使用范围又广，所以受到世界各国重视。专家们预测，21世纪太阳能将成为人类的主要能源之一。

利用太阳能：1．光电转换方式：利用太阳能电池可将太阳辐射能转换成电能供使用。2，光热转换方式：黑色粗糙表面在阳光下易变热，因此太阳能设备中的吸收表面一般都涂以黑色涂层或其他采光涂层。阳光照在上面就能有效地被转变为热能。3、光化学转换方式：光化学转换是利用光和物质相互作则引起的化学反应。例如，光化学电池就是利用光照引起化学反应，使电解液内形成电流而供电的电池。

氢能：氢能有以下优点：(1)氢的热值高，每千克可高达6900千焦耳，约是汽油热值的3倍(2)易燃烧、燃烧速度快，有利于获得高的功率(3)氢来源广。氢除了存在于空气中外，主要存在于水中。在水分子中，氢的质量比例约为11%。海水中的氢可以说是取之不尽的。(4)氢燃烧后只生成水和少量氮的氢化物，没有化石燃料燃烧所放出的有害气体和铅化物等污染物质。开发利用氢能会碰到两个难题：寻找一种廉价易行的氢的制备工艺；解决氢气的储存问题，以便有利于方便的运输。

用电解水的方法；热化学法；利用太阳能；这是廉价制备大量氢的最有希望的方法，称为太阳能光化学分解水方法。

地热能：地球本身是一座巨大的天然储热库。地热能是指地球内部可释放出来的热量。关于地热的来源．有多种解释．但一般认为它主要是来源于地球深处的压力和地球内部放射性元素衰变所放出的能量转变而来。地温随深度加深而升高，平均每深入1公里，温度升高30C。

生物能：微生物，世界上有不少国家盛产甘蔗、甜菜、木薯等，科学家利用微生物发酵，可将它们制成酒精。绿藻，可以迫使绿藻按要求生产氢气，这种技术可能会无限量地为人类提供燃料。可燃冰，这是一种与水结合在一起的团体化合物，它的外型与冰相似，故称“可燃冰”。