Cynojha能源淺談

1、七夕，古今詩(shī)人慣詠星月與悲情。吾生雖晚，世態(tài)炎涼卻已看透矣。情也成空，且作“揮手袖底風(fēng)”罷。是夜，窗外風(fēng)雨如晦，吾獨(dú)坐陋室，聽(tīng)一曲塵緣，合成詩(shī)韻一首，覺(jué)放諸古今，亦獨(dú)有風(fēng)韻也。乃書(shū)于紙上。畢而臥。凄然入夢(mèng)。乙酉年七月初七。-嘯之記。 人類(lèi)生存和發(fā)展的三要素 物質(zhì)、能量與信息。 因此，能源的發(fā)展史直接影響人類(lèi)的發(fā)展史。 我們?nèi)祟?lèi)生存與發(fā)展中最具有決定性意義的要素是三個(gè)：¾¾ 物質(zhì)、能量和信息。 組成我們的世界是物質(zhì)；人類(lèi)生存活動(dòng)決定于對(duì)信息的認(rèn)知和反應(yīng)；而維持生命，從事發(fā)展的活動(dòng)又地要通過(guò)消耗能量來(lái)進(jìn)行。 一切能量來(lái)自能源，人類(lèi)離不開(kāi)能源。能源是人類(lèi)生存、生活與發(fā)展的主要基礎(chǔ)

2、。能源科學(xué)與技術(shù)，能源利用的發(fā)展在人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步中一直扮演著及其重要的角色。 能源發(fā)展的里程碑 可以這么說(shuō)，每一次能源利用的里程碑式發(fā)展，都伴隨著人類(lèi)生存與社會(huì)進(jìn)步的巨大飛躍。幾千年來(lái)，在人類(lèi)的能源利用史上，大致經(jīng)歷了這樣四個(gè)里程碑式的發(fā)展階段：原始社會(huì)火的使用，先祖?zhèn)冊(cè)诨鸬恼找掠瓉?lái)了文明社會(huì)的曙光；18世紀(jì)蒸汽機(jī)的發(fā)明與利用，大大提高了生產(chǎn)力，導(dǎo)致了歐洲的工業(yè)革命；19世紀(jì)電能的使用，極大地促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，改變了人類(lèi)生活的面貌；20世紀(jì)以核能為代表的新能源的利用，使人類(lèi)進(jìn)入原子的微觀世界，開(kāi)始利用原子內(nèi)部的能量。 未來(lái)對(duì)能源的要求 有足夠滿足人類(lèi)生存和發(fā)展所需要的儲(chǔ)量，并且不會(huì)造成影響

3、人類(lèi)生存的環(huán)境污染問(wèn)題。 未來(lái)對(duì)能源的需求 未來(lái)的人類(lèi)社會(huì)依然要依賴于能源，依賴于能源的可持續(xù)發(fā)展。因此，我們須現(xiàn)在就很清楚地了解地球上的能源結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)量，發(fā)展必須開(kāi)發(fā)的能源利用技術(shù)，才能使人類(lèi)的生存得于永久維持。 而我們賴于生存的能源是取之不盡用之不完的嗎？回答是：不是，也是。事實(shí)上，進(jìn)入21世紀(jì)后，人類(lèi)目前技術(shù)可開(kāi)發(fā)的能源資源已將面臨嚴(yán)重不足的危機(jī)，當(dāng)今煤、石油和天然氣等礦石燃料資源日益枯竭，甚至不能維持幾十年。因此，必須尋找可持續(xù)的替代能源。而近半世紀(jì)的核能和平利用，已使核能已成為新能源家屬中迄今為止能替代有限礦石燃料的唯一現(xiàn)實(shí)的大規(guī)模能源。而且，未來(lái)如能實(shí)現(xiàn)核能的徹底利用，人類(lèi)的能源將是

4、無(wú)窮的。 除了物質(zhì)、能量和信息三大因素外，人類(lèi)對(duì)安全的要求也越來(lái)越重要了。安全包括社會(huì)安全、健康安全和環(huán)境安全等。它們同能源的關(guān)系也是非常密切的?，F(xiàn)在利用的能源已造成了大量的環(huán)境污染問(wèn)題，嚴(yán)重影響了人類(lèi)的生存。因此，未來(lái)對(duì)能源的要求將不僅是儲(chǔ)量充足，而且還必須是清潔的能源。相對(duì)其它化石能源而言，核能的和平利用已充分證明了核能是清潔的能源之一。 u 能源的定義與源頭 究竟什么是“能源”呢？科學(xué)技術(shù)百科全書(shū)是這樣說(shuō)的：“能源是可從其獲得熱、光和動(dòng)力之類(lèi)能量的資源”；大英百科全書(shū)說(shuō)：“能源是一個(gè)包括著所有燃料、流水、陽(yáng)光和風(fēng)的術(shù)語(yǔ)，人類(lèi)用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換手段便可讓它為自己提供所需的能量”?？梢?jiàn)，能源是呈多

5、種形式的、可以相互轉(zhuǎn)換的能量的源泉。簡(jiǎn)而言之，能源是自然界中能為人類(lèi)提供能量的物質(zhì)資源。 能源的源頭 來(lái)自地球以外天體的能源（如太陽(yáng)能）、地球本身蘊(yùn)藏的能源（如地?zé)?、核能）、地球與其它天體相互作用產(chǎn)生的能源（如潮汐）。 而能源是產(chǎn)生能量的源頭。 人們通常按形態(tài)與應(yīng)用方式對(duì)能源進(jìn)行分類(lèi)。一般分為：固體燃料、液體燃料、氣體燃料、水能、電能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、核能、海洋能和地?zé)崮堋Ｆ渲?，前三?lèi)統(tǒng)稱化石燃料或化石能源。已被人類(lèi)認(rèn)識(shí)的這些能源，在一定條件下可以轉(zhuǎn)換為人們所需的各種形式的能量。比如薪柴和煤炭，加熱到一定溫度，能和氧氣化合并放出大量熱能，可以直接用來(lái)取暖，也可用來(lái)產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)，再

6、帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，使熱能變成機(jī)械能，再變成電能。把電送到工廠、機(jī)關(guān)和住戶，又可以轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、光能或熱能。 在我們生活的地球上，能源形形色色。總起來(lái)說(shuō)有三個(gè)初始來(lái)源。 太陽(yáng)能 地球 來(lái)自地球外部天體的能源（主要是太陽(yáng)能）人類(lèi)所需能量的絕大部分都直接或間接地來(lái)自太陽(yáng)。正是各種植物通過(guò)光合作用把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來(lái)。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動(dòng)植物經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代形成的。它們實(shí)質(zhì)上是由古代生物固定下來(lái)的太陽(yáng)能。此外，水能、風(fēng)能、波浪能、海流能等也都是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的。 地球本身蘊(yùn)藏的能量 通常指與地球內(nèi)部的熱能有關(guān)的能源和與原子核反應(yīng)有關(guān)的能源。 與地球內(nèi)部的熱能

7、有關(guān)的能源，我們稱之為地?zé)崮?。溫泉和火山爆發(fā)噴出的巖漿就是地?zé)岬谋憩F(xiàn)。地球可分為地殼、地幔和地核三層，它是一個(gè)大熱庫(kù)。地殼就是地球表面的一層，一般厚度為幾公里至70公里不等。地殼下面是地幔，它大部分是熔融狀的巖漿，厚度為2900公里?；鹕奖l(fā)一般是這部分巖漿噴出。地球內(nèi)部為地核，地核中心溫度為2000度?？梢?jiàn)，地球上的地?zé)豳Y源貯量也很大。 與原子核反應(yīng)有關(guān)的能源正是本書(shū)要介紹的核能。原子核的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)能釋放出大量的能量，稱為原子核能，簡(jiǎn)稱核能，俗稱原子能。它則來(lái)自于地殼中儲(chǔ)存的鈾、钚等發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)的核裂變能資源，以及海洋中貯藏的氘、氚、鋰等發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)的核聚變能資源。這些物質(zhì)在發(fā)生原子

8、核反應(yīng)時(shí)釋放出能量。目前核能最大的用途是發(fā)電。此外，還可以用作其它類(lèi)型的動(dòng)力源、熱源等。 來(lái)自星球引力的能量 指由于地球與月球、太陽(yáng)等天體相互作用的形成的能源。地球、月亮、太陽(yáng)之間有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，造成相對(duì)位置周期性的變化，它們之間的引力隨之變化使海水漲落而形成潮汐能。與上述二類(lèi)能源相比，潮汐能的數(shù)量很小。全世界的潮汐能折合成煤約為每年30億噸，而實(shí)際可用的只是淺海區(qū)那一部分，每年約可折合為6000萬(wàn)噸煤。 u 能源結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)量 地球上有哪些能量資源可供我們使用？它們還能維持多久？我們?cè)撛趺崔k？ 能源的種類(lèi) 一次能源：煤炭、石油、核能等自然界天然能量資源； 二次能源：汽油、電力、蒸汽等人工制造的能量

9、資源， 一次能源和二次能源 能源按其生成方式，分為天然能源（一次能源）和人工能源（二次能源）兩大類(lèi)。天然能源是指自然界中以天然形式存在并沒(méi)有經(jīng)過(guò)加工或轉(zhuǎn)換的能量資源，如煤炭、石油、天然氣、核燃料、風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、海洋能、潮汐能等；人工能源則是指由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)換成其他種類(lèi)和形式的能量資源，如煤氣、汽油、煤油、柴油、電力、蒸汽、熱水、氫氣、激光等。 常規(guī)能源和新能源 其中，已被人類(lèi)廣泛利用并在人類(lèi)生活和生產(chǎn)中起過(guò)重要作用的能源，稱為常規(guī)能源，通常是指煤炭、石油、天然氣、水能等四種。而新近才被人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用、有待于進(jìn)一步研究發(fā)展的能量資源稱為新能源，相對(duì)于常規(guī)能源而言，在不同的歷史

10、時(shí)期和科技水平情況下，新能源有不同的內(nèi)容。當(dāng)今社會(huì)，新能源通常指核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、氫氣等?煤的時(shí)代 能源結(jié)構(gòu)的變遷 歷史上，伴隨著新的化石資源的發(fā)現(xiàn)和大規(guī)模開(kāi)采與應(yīng)用，世界的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了數(shù)次變革。18世紀(jì)的以煤炭替代柴薪，到19世紀(jì)中葉煤炭已經(jīng)逐漸占主導(dǎo)地位。20世紀(jì)20年代，隨著石油資源的發(fā)現(xiàn)與石油工業(yè)的發(fā)展，世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了第二次轉(zhuǎn)變，即從煤炭轉(zhuǎn)向石油與天然氣，到20世紀(jì)60年代，石油與天然氣已逐漸稱為主導(dǎo)能源，動(dòng)搖了煤炭的主宰地位。但是，20世紀(jì)70年代以來(lái)兩次石油危機(jī)的爆發(fā)，開(kāi)始動(dòng)搖了石油在能源中的支配地位。以此同時(shí)，大部分化學(xué)能源的儲(chǔ)量日益減少，并伴隨著許多環(huán)境污

11、染問(wèn)題。 而人類(lèi)對(duì)能源的需求卻在與日俱增。例如主要能源形式 地球能源的儲(chǔ)量估計(jì) 煤炭：200年 石油、天然氣：50年 核能：無(wú)窮多 之一的電力消耗逐年增加。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，人口若每30年增加一倍，電力的需求量每八年就要增加一倍。 于是，20世紀(jì)末，能源結(jié)構(gòu)開(kāi)始經(jīng)歷第三次轉(zhuǎn)變，即從以石油為中心的能源系統(tǒng)開(kāi)始向以煤、核能和其它再生能源等多元化的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。特別是隨著時(shí)間的推移，核能的比例將不斷增長(zhǎng)，并將逐步替代石油和天然氣而成為主要的大規(guī)模能源之一。 化學(xué)能的儲(chǔ)存量 煤炭、石油、天然氣還有多少年可以讓人類(lèi)開(kāi)采利用？據(jù)世界能源會(huì)議統(tǒng)計(jì)，世界已探明可采煤炭?jī)?chǔ)量共計(jì)15980億噸，預(yù)計(jì)還可開(kāi)采200年。探明

12、可采石油儲(chǔ)量共計(jì)1211億噸，預(yù)計(jì)還可開(kāi)采3040年。探明可采天然氣儲(chǔ)量共計(jì)119萬(wàn)億立方米，預(yù)計(jì)還可開(kāi)采60年。必須指出的是，煤炭、石油等直接燃燒用來(lái)生產(chǎn)電能與熱能實(shí)在太可惜了，且不說(shuō)可能帶來(lái)的環(huán)境污染，它們還是很好的化工原料呢！ 水能及新能源的潛力 那么水能呢？我們知道，水力是可以長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)利用的。但是，在那些大面積缺水、水力資源不豐富的國(guó)家和地區(qū)怎么辦？再說(shuō)，水能還有個(gè)季節(jié)性的問(wèn)題。這些都使水能無(wú)法成為世界能源結(jié)構(gòu)中唯一的主力軍。新能源中，太陽(yáng)能雖然用之不竭，但代價(jià)太高，并且就目前的技術(shù)發(fā)展情況來(lái)看，在一代人的時(shí)間里不可能迅速發(fā)展和廣泛使用。其它新能源也是如此。其它一些能源與水能相似，它們

13、的規(guī)模受到環(huán)境、季節(jié)、地理位置等條件的限制，如風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮艿鹊取?易裂變核素 易發(fā)生裂變的原子只有鈾-235（U235）、钚-239（Pu239）、鈾-233（U233）三種。而天然存在的易裂變?cè)刂挥锈?235，钚-239可由鈾-238生成，鈾-233可由釷-232（Th232）生成。 易聚變核反應(yīng) 氘（D2）-氚（D3）反應(yīng)。氘和氚都是氫原子的同位素。氘天然存在，而氚極少，必須由人工生成（如由鋰制造）。 核能-無(wú)窮的能源 核能分為裂變能和聚變能兩種。目前人類(lèi)能正在用于和平利用的只有裂變能。可控聚變能利用技術(shù)正在攻克。 天然鈾的成份 天然鈾中占99.3%為難裂變的鈾-238，僅有0.

14、714%為易裂變的鈾-235。鈾-238可通過(guò)吸收一個(gè)中子變成易裂變的钚-239。 作為發(fā)展核裂變能的主要原料之一的鈾，世界上已探明的鈾儲(chǔ)量約490萬(wàn)噸，釷儲(chǔ)量約275萬(wàn)噸。如果利用得好，可用24002800年。 聚變反應(yīng)主要來(lái)源于氘-氚的核反應(yīng)，氘來(lái)可大量自海水，氚可來(lái)自鋰。因此聚變?nèi)剂现饕请弯?，海水中氘的含量?.03克升，據(jù)估計(jì)地球上的海水量約為138億億米3，所以世界上氘的儲(chǔ)量約40億萬(wàn)噸；地球上的鋰儲(chǔ)量雖比氘少得多，也有2000多億噸，用它來(lái)制造氚，足夠滿足人類(lèi)對(duì)聚變能的需求。這些聚變?nèi)剂纤尫诺哪芰勘热澜绗F(xiàn)有能源總量放出的能量大千萬(wàn)倍。按目前世界能源消費(fèi)的水平，地球上可供原子

15、核聚變的氘和氚，能供人類(lèi)使用上千億年。如果人類(lèi)實(shí)現(xiàn)了氘-氚的可控核聚變，核燃料就可謂“取之不盡，用之不竭了”，人類(lèi)就將從根本上解決能源問(wèn)題，這正是當(dāng)前核科學(xué)家們孜孜以求的所以。聚變能源不僅豐富，而且安全、清潔。聚變產(chǎn)生的放射性比裂變小的多。 專(zhuān)家們預(yù)測(cè)，核能在未來(lái)將成為人類(lèi)取之不盡的持久能源。 1.2 變臟的地球與干凈的核電 本節(jié)要點(diǎn)：回答的問(wèn)題以下問(wèn)題：現(xiàn)有的能源還能維持多久？能源利用可以不污染環(huán)境嗎？核能真是可持續(xù)能源嗎？ u 能源的可持續(xù)發(fā)展 必須尋找一些既能保證有長(zhǎng)期足夠的供應(yīng)量又不會(huì)造成環(huán)境污染的能源。 而目前人類(lèi)面臨的問(wèn)題正是：能源資源枯竭；環(huán)境污染嚴(yán)重。 能源利用與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)

16、展 能源危機(jī) 目前世界上常規(guī)能源的儲(chǔ)量有的只能維持半個(gè)世紀(jì)（如石油），最多的也能維持一、二百年（如煤）人類(lèi)生存的需求。 今天，幾乎所有的工業(yè)化國(guó)家都面臨著兩個(gè)關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展的緊密相連的挑戰(zhàn)：保證令人滿意的長(zhǎng)期能源供應(yīng)和減少人類(lèi)活動(dòng)帶給環(huán)境的影響。能源利用與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已成為關(guān)系到人類(lèi)未來(lái)生存與文明延續(xù)的一個(gè)重要問(wèn)題。 能源供應(yīng)危機(jī) 今天的世界人口已經(jīng)突破60億，比上個(gè)世紀(jì)末期增加了2倍多，而能源消費(fèi)據(jù)統(tǒng)計(jì)卻增加了16倍多。無(wú)論多少人談?wù)摗肮?jié)約”和“利用太陽(yáng)能”或“打更多的油井或氣井”或者“發(fā)現(xiàn)更多更大的煤田”，能源的供應(yīng)卻始終跟不上人類(lèi)對(duì)能源的需求。當(dāng)前世界能源消費(fèi)以化石資源為主，其中中

17、國(guó)等少數(shù)國(guó)家是以煤炭為主，其它國(guó)家大部分則是以石油與天然氣為主。按目前的消耗量，專(zhuān)家預(yù)測(cè)石油、天然氣最多只能維持不到半個(gè)世紀(jì)，煤炭也只能維持一二百年。所以不管是哪一種常規(guī)能源結(jié)構(gòu)，人類(lèi)面臨的能源危機(jī)都日趨嚴(yán)重。 濃煙滾滾的火電廠 能源對(duì)環(huán)境的污染 另一方面，特別是利用化石能源的過(guò)程也直接影響地球的環(huán)境，使大氣和水資源遭受?chē)?yán)重污染。大氣中主要的五種污染物是：氮氧化物（如NO與NO2）、二氧化硫（SO2）、各種懸浮顆粒物、一氧化碳（CO） 大氣污染的主要源頭 目前世界上最嚴(yán)重的大氣污染來(lái)自化石能源燃燒造成的大氣中二氧化碳量的增加。帶來(lái)的主要后果是：酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧層破壞。 和碳?xì)浠衔铮ㄈ鏑H

18、4、C2H6、C2H4等）。其來(lái)源主要有三個(gè)方面： 煤、石油等化石燃料的燃燒； 汽車(chē)排放的廢氣； 工業(yè)生產(chǎn)（如各種化工廠、煉焦廠等）產(chǎn)生的廢氣。而其中燃燒化石燃料的火力發(fā)電廠是最大的固定污染源。 1. 多元化 世界能源結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了以薪柴為主、以煤為主和以石油為主的時(shí)代，現(xiàn)在正在向以天然氣為主轉(zhuǎn)變，同時(shí)，水能、核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能也正得到更廣泛的利用?？沙掷m(xù)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、能源供應(yīng)成本和可供應(yīng)能源的結(jié)構(gòu)變化決定了全球能源多樣化發(fā)展的格局。天然氣消費(fèi)量將穩(wěn)步增加，在某些地區(qū)，燃?xì)怆娬居腥〈济弘娬镜内厔?shì)。未來(lái)，在發(fā)展常規(guī)能源的同時(shí)，新能源和可再生能源將受到重視。在歐盟2010年可再生能源發(fā)展規(guī)劃中

19、，風(fēng)電要達(dá)到4000萬(wàn)千瓦，水電要達(dá)到1.05億千瓦。2003年初英國(guó)政府公布的能源白皮書(shū)確定了新能源戰(zhàn)略，到2010年，英國(guó)的可再生能源發(fā)電量占英國(guó)發(fā)電總量的比例要從目前的3%提高到10%，到2020年達(dá)到20%。 2. 清潔化 隨著世界能源新技術(shù)的進(jìn)步及環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，未來(lái)世界能源將進(jìn)一步向清潔化的方向發(fā)展，不僅能源的生產(chǎn)過(guò)程要實(shí)現(xiàn)清潔化，而且能源工業(yè)要不斷生產(chǎn)出更多、更好的清潔能源，清潔能源在能源總消費(fèi)中的比例也將逐步增大。在世界消費(fèi)能源結(jié)構(gòu)中，煤炭所占的比例將由目前的26.47%下降到2025年的21.72%，而天然氣將由目前的23.94%上升到2025年的28.40%，石油的比例

20、將維持在37.60%37.90%的水平。同時(shí)，過(guò)去被認(rèn)為是“臟”能源的煤炭和傳統(tǒng)能源薪柴、秸桿、糞便的利用將向清潔化方面發(fā)展，潔凈煤技術(shù)（如煤液化技術(shù)、煤氣化技術(shù)、煤脫硫脫塵技術(shù)）、沼氣技術(shù)、生物柴油技術(shù)等等將取得突破并得到廣泛應(yīng)用。一些國(guó)家，如法國(guó)、奧地利、比利時(shí)、荷蘭等國(guó)家已經(jīng)關(guān)閉其國(guó)內(nèi)的所有煤礦而發(fā)展核電，它們認(rèn)為核電就是高效、清潔的能源，能夠解決溫室氣體的排放問(wèn)題。 3. 高效化 世界能源加工和消費(fèi)的效率差別較大，能源利用效率提高的潛力巨大。隨著世界能源新技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)世界能源利用效率將日趨提高，能源強(qiáng)度將逐步降低。例如，以1997年美元不變價(jià)計(jì)，1990年世界的能源強(qiáng)度為0.3541噸油當(dāng)量/千美元，2001年已降低到0.3121噸油當(dāng)量/千美元，預(yù)計(jì)2010年為0.2759噸油當(dāng)量/千美元，2025年為0.2375噸油當(dāng)量/千美元。 但是，世界各地區(qū)能源強(qiáng)度差異較大，例如，2001年世界發(fā)達(dá)國(guó)家的能源強(qiáng)度僅為0.2109噸油當(dāng)量/千美元，20012025年發(fā)展中國(guó)家的能源強(qiáng)度預(yù)計(jì)是發(fā)達(dá)國(guó)家的2.33.2倍，可見(jiàn)世界的節(jié)能潛力巨大。 4. 全球化 5. 市場(chǎng)化 由于市場(chǎng)化是實(shí)現(xiàn)國(guó)際能源資源優(yōu)化配置和利用的最佳手段，故隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是世界