化學(xué)與能源-課件

社會Chem與第四章化學(xué)與能源大家好主要內(nèi)容

第1節(jié)常規(guī)能源

第2節(jié)原子核能

第3節(jié)新能源2大家好第2節(jié)原子核能3大家好原子能原子結(jié)構(gòu)?原子的大小?質(zhì)子、中子和電子原子由原子核及核外電子構(gòu)成。原子核是帶正電的質(zhì)子和電中性的中子緊密的結(jié)合體（氫除外）。粒子 符號質(zhì)子 p,p+,H+中子 n,n0

電子 e,e-4大家好氫及同位素?氫--H一價非金屬元素。在正常情況下,氫是無色、無臭、極易燃燒的雙原子氣體，?氘--D[deuterium],亦稱“重氫”，氫的同位素,其原子量為普通輕氫的二倍,少量的存在于天然水中,用于核反應(yīng),并在化學(xué)和生物學(xué)的研究工作中作示蹤原子,?氚--3H或T[tritium]

氫的放射性同位素,原子量為普通氫的三倍,半衰期12.5年,用中子轟擊鋰可產(chǎn)生氚.

5大家好同位素標(biāo)記水(15Oor19O)研究植物的生化過程14carbon研究文物的年代6大家好原子核放射性的發(fā)現(xiàn)什么使未感光的底片感光？射線：易被紙，金屬膜、皮膚等阻擋射線：穿透性較強，厚的木版、金屬板阻擋射線：能穿透大多數(shù)物質(zhì)，需用厚鉛板或水泥墻阻擋7大家好原子研究的諾貝爾獎The NobelPrizeinPhysics1903AntoineHenriBecquerel"inrecognitionoftheextraordinaryserviceshehasrenderedbyhisdiscoveryofspontaneousradioactivity”發(fā)現(xiàn)自發(fā)放射現(xiàn)象

8大家好The NobelPrizeinPhysics1903PierreCurie&MarieCurieMarieCuriewasthefirstwomantoteachattheSorbonneinParis,andthefirstwomantoreceiveaNobelPrize.

"inrecognitionoftheextraordinaryservicestheyhaverenderedbytheirjointresearchesontheradiationphenomenadiscoveredbyProfessorHenriBecquerel“放射現(xiàn)象的研究9大家好TheNobelPrizeinChemistry1911MarieCurie1867-1934France,SorbonneUniversity,Paris,France“inrecognitionofherservicestotheadvancementofchemistrybythediscoveryoftheelementsradium(鐳)andpolonium(釙),bytheisolationofradiumandthestudyofthenatureandcompoundsofthisremarkableelement"10大家好The Curies’ work

Theyeventuallyprepared1g(0.04oz)ofpureradiumchloridefrom8metrictonsofwastepitchblende(廢瀝青油礦)fromAustria.8噸制備出1克!!!!!11大家好Marie Curie’s Notebooks

MarieCuriediedofleukemia(白血病)broughtonbyherprolongedexposuretoradioactivity.Thenotebookssheusedarestillradioactive.12大家好TheNobelPrizeinChemistry1934“forhisdiscoveryofheavyhydrogen(重氫[氘])"

HaroldClaytonUreyUSAColumbiaUniversityNewYork,NY,USA1893-198113大家好TheNobelPrizeinChemistry1944

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

TheNobelPrizeinChemistry1960"forhismethodtousecarbon-14foragedeterminationinarchaeology,geology,geophysics,andotherbranchesofscience"WillardFrankLibby,1908-1980,USAUniversityofCaliforniaLosAngeles,CA,USA15大家好60Co產(chǎn)生及利用?用中子轟擊59Co（鈷源）可得60Co

59Co+1n→60Co?60Co是和放射體，是最好的射線源?用于探礦、金屬探傷?醫(yī)學(xué)治療癌癥?科學(xué)研究（中科院長春應(yīng)化所生產(chǎn)熱縮塑料）16大家好60Co放射治療17大家好核技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用?各種掃描儀（正電子發(fā)射斷層掃描）?輻射治療（射線，刀）?輻射消毒?心臟起搏器電池的電源（钚）?放射性同位素標(biāo)記測定通過心臟的血流18大家好愛因斯坦質(zhì)能方程式：E=mC2(m為質(zhì)量，C為光速)產(chǎn)生的能量供100W電燈使用：能量來源

使用時間

完全轉(zhuǎn)化1克物質(zhì)為能量 28,000年1gU-235裂變 23年有效燃燒1g汽油 8分鐘1g食糖提供給人體的能量少于3分鐘19大家好核反應(yīng)核反應(yīng)有兩種形式：核聚變和核裂變20大家好核裂變：由中子轟擊原子核產(chǎn)生，U235的裂變產(chǎn)物可能有30-40種之多21大家好小男孩原子彈LittleMan-廣島原子彈

U235的體積相當(dāng)于一個蘋果大小22大家好Nuclear-PoweredAircraftCarrierAbrahamLincoln23大家好NuclearBombsNuclearweaponsarethemostpowerfulanddestructiveexplosivesinexistence.Modernnuclearweapons,whichmayhavethepowerofseveralmilliontonsofTNT,generallyhave8to40timesmoreexplosive

powerthanthe“LittleBoy”and“FatMan”bombsthatdevastatedHiroshimaandNagasakiin1945.24大家好貧鈾彈

貧鈾彈以貧鈾為主要原料，而貧鈾則是從金屬鈾中提煉出鈾235以后的副產(chǎn)品，其主要成分是具有低水平放射性的鈾238，故稱貧化鈾，簡稱貧鈾。高速發(fā)射的貧鈾彈可以穿透厚實的坦克裝甲和水泥掩體。在天然鈾中主要含有鈾235（占0.72％）和鈾238（占99.27％）兩種同位素，人類實際上是利用鈾235來造成鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)。25大家好貧鈾（Deplete Uranium)的直接放射性危害遠(yuǎn)不如天然鈾26大家好一、引起造血障礙；二、眼白內(nèi)障；三、白血病及其他惡性腫瘤；四、生育能力下降；五、生長發(fā)育出現(xiàn)障礙。貧鈾彈的五大危害27大家好核裂變能的和平利用核電站的優(yōu)點與缺點優(yōu)點：高效發(fā)電成本比燃煤發(fā)電平均低1/3缺點：核電站事故，十分可怕前蘇聯(lián)切爾諾貝利，記憶猶新日本核泄露事故。

28大家好2005－2010年發(fā)電成本比較據(jù)鈾研究所報道：1997年幣值，美分/kWh29大家好目前世界共有

441

座核電站運行268座壓水堆核電站

94座沸水堆核電站

23座氣冷堆核電站

40座重水堆核電站

12座石墨水冷堆核電站

3座快中子堆核電站壓水堆核電站共發(fā)電249GW(2.49億千瓦)

占核電總發(fā)電量65%主要是第二代核電站30大家好1、國外四代核電技術(shù)現(xiàn)狀壓水堆沸水堆重水堆其他

壓水堆仍將是國際未來30-40年的主力堆型第一代核電站第二代核電站第三代核電站第四代核電站

五、六十年代原型堆解決工程技術(shù)問題

七十年代至今運行業(yè)績良好，還在增效延壽多種堆型仍在批量建設(shè)（共23臺）

九十年代至今安全性經(jīng)濟(jì)性好市場前景樂觀，已建首堆工程，尚未批量推廣，在建8臺

九十年代后期起六種堆型安全經(jīng)濟(jì)資源利用廢物量最小防止核擴(kuò)散2035年左右商用化國際上核電發(fā)展趨勢概述大家好秦山一期核電廠300MW大亞灣核電廠2×900MW1994年2月1日和5月6日兩個機(jī)組分別投入商業(yè)運行1991年12月15日并網(wǎng)發(fā)電我國核電發(fā)展現(xiàn)狀(運行核電站)大家好我國核電發(fā)展現(xiàn)狀(運行核電站)

秦山二期650MW核電站1、2機(jī)組分別與2002年2月6日、2004年5月并網(wǎng)發(fā)電

嶺澳核電站1、2機(jī)組分別與2002年2月26日、2002年9月并網(wǎng)發(fā)電大家好我國核電發(fā)展現(xiàn)狀(運行核電站)

江蘇田灣核電站1、2機(jī)組分別與2006年5月12日、2007年5月并網(wǎng)發(fā)電

秦山三期核電站1、2機(jī)組分別與2002年11月19日、2003年6月并網(wǎng)發(fā)電大家好進(jìn)入批量化加快發(fā)展階段

2020年核電規(guī)劃容量將達(dá)到40GW，占當(dāng)時電力總?cè)萘考s4%（現(xiàn)在世界的平均水平為16%）。核電占總電量的份額仍然較低。近兩年來，國務(wù)院陸續(xù)批準(zhǔn)了新的核電項目，其中二代改進(jìn)型的有23個機(jī)組，達(dá)到批量規(guī)模。三代的AP1000和EPR也開始建設(shè)。此外進(jìn)入工程前期的還有，湖南桃花江、湖北大阪、江西彭澤，以及海南昌江核電站。中國的核電進(jìn)入了加快發(fā)展的時期。

大家好我國核電發(fā)展現(xiàn)狀(已開工項目)

遼寧紅沿河核電站4臺機(jī)組主體工程于2007年8月陸續(xù)開工福建寧德核電站4臺機(jī)組主體工程于2008年2月陸續(xù)開工大家好我國核電發(fā)展現(xiàn)狀(已開工項目)福清核電站6X1000MW1、2號機(jī)組2008年12月開工圖為2號機(jī)組第一罐混凝土方家山2X1000MW核電站1、2號機(jī)組2008年12月開工大家好我國核電發(fā)展現(xiàn)狀(已開工項目)

三門核電站

2X1250MWAP1000(三代機(jī)型)2009年3月開工海陽核電站

2X1250MWAP1000(三代機(jī)型)2009年9月開工大家好我國核電發(fā)展現(xiàn)狀(已開工項目)

臺山核電站2010年4月15日開工大家好我國核電發(fā)展現(xiàn)狀(已開工項目)

昌江核電站2010年4月25日開工大家好已審查初可研報告的廠址

大家好核（裂變）電站示意圖

電機(jī)

燃料棒和中子棒控制反應(yīng)速度

冷卻水

42大家好美國研制“便攜式”核電站

?

英國《新科學(xué)家》周刊2004年9月報道，美國能源部正在研制一種新的核電站,一種封閉式核反應(yīng)堆，能夠運送到指定的地方，安裝后能發(fā)電長達(dá)30年，等燃料用完后再收回來。美國能源部表示，希望2015年能搞出樣機(jī)來。?

在常規(guī)反應(yīng)堆中，鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)消耗燃料棒中的裂變同位素，所以每隔幾年就要更換燃料棒。?

為了能使發(fā)電過程延長到30年，就必須使封閉式反應(yīng)堆能像增殖反應(yīng)堆那樣利用中子把諸如鈾238等非裂變同位素變成裂變同位素。要進(jìn)一步延長反應(yīng)堆的使用壽命，就得把柱形核心放在一個能把中子反射到燃料中的金屬圓筒中。這種反射將在柱形核心的一端開始，慢慢的移動到另一端，在這個過程逐漸把核燃料消耗掉。要使這樣的一個系統(tǒng)長期運行將是非常艱巨的一項任務(wù)。43大家好太陽發(fā)生核聚變44大家好核聚變自然界中最容易實現(xiàn)的聚變是氫同位素之間的聚變，太陽的能量就是通過內(nèi)部聚變產(chǎn)生的。海洋中存在取之不盡的氫同位素，而且其反應(yīng)產(chǎn)物是無放射性污染的氦。另外，由于核聚變需要極高溫度，一旦某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，燃料溫度下降，聚變反應(yīng)就會自動中止。也就是說，聚變堆不會發(fā)生類似前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站的泄漏事故。45大家好受控核聚變

在地球上，除了科學(xué)家們的實驗室里進(jìn)行過核聚變以外，我們唯一知道的大規(guī)模聚變就是氫彈爆炸，但那只會給人類帶來災(zāi)難，人類需要的是受控聚變。實現(xiàn)受控聚變是一個比登月還要困難得多的科學(xué)工程。受控聚變研究仍處于基礎(chǔ)階段，樂觀的估計認(rèn)為，聚變能有望在50年后實現(xiàn)商業(yè)化。46大家好核聚變的利用——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥Ｕ235氘、氚爆炸裂變聚變氘、氚、重氫化鉀等鈾235外殼普通炸藥大家好氫彈

利用氫的同位素氘和氚的原子核聚變時產(chǎn)生的能量進(jìn)行殺傷和破壞的炸彈,其威力比原子彈大得多。2H+3H→4He+1n+核聚變能

該反應(yīng)是靠原子彈爆炸的高溫引發(fā)的。太陽

48大家好氫彈爆炸形成的磨姑云大家好人類第一枚氫彈1952年11月1日，人類第一枚氫彈“麥克”在馬紹爾群島的恩尼威托克小島上爆炸，產(chǎn)生了1000萬噸TNT當(dāng)量的威力，相當(dāng)于廣島原子彈的700倍。這枚氫彈在幾百米高的鋼架上起爆之后，整個小島連同鋼架都在巨大的爆炸聲中沉入太平洋深處。全世界為之震驚。50大家好錢三強

留學(xué)法國，核物理，約里奧·居里夫婦的博士。?

中國原子能事業(yè)的開拓者和奠基人之一。

1950年代領(lǐng)導(dǎo)建成中國第一個重水型原子反應(yīng)堆和第一臺回旋加速器，以及一批重要儀器設(shè)備。使我國的堆物理、反應(yīng)堆工程技術(shù)、釬化學(xué)放射生物、放射性同位素制備、高能加速器技術(shù)、受控?zé)岷司圩兊瓤蒲泄ぷ?，都先后開展起來。

1960年，即在原子能所組織中子物理理論與實驗兩個研究組開展氫彈的預(yù)研工作，促成了中國在第一顆原子彈爆炸后僅2年零8個月，就研制成了氫彈。51大家好氫彈破壞力沒有極限

“麥克”爆炸后，核物理學(xué)家們明白了這樣一個事實：氫彈的爆炸威力大小，與氫彈內(nèi)氘的含量有關(guān)。也就是說，氫彈在理論上是沒有破壞力極限的，如果你愿意的話，制造出多大破壞力的氫彈都可以。理論上，只要裝配足夠份量的液體氘，一枚氫彈甚至可以將包圍地球的大氣全部吹向太空，使人類窒息而死，或者使大洋的海水涌向陸地，將整個地球變成汪洋。52大家好受控核聚變裝置53大家好TokamakFusionReactor(托卡馬克受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置)

In1993scientistsattheTokamakFusionTestReactor,atPrincetonUniversity’splasmaphysicslaboratoryinNewJersey,producedacontrolledfusionreaction,duringwhichthetemperatureinthereactorsurpassedthreetimesthatofthecoreofthesun.54大家好受控核聚變反應(yīng)---能量逐步釋放？?

反應(yīng)條件：100億C的高溫，10億大氣壓?

如何產(chǎn)生高溫高壓？離子束、強無線電發(fā)射、電子脈沖?

用什么材料束縛如此高溫下的物質(zhì)？強磁場控制不與壁接觸?

如受控核聚變是完美的，10克氘（從500升海水中提取）和15克氚（在反應(yīng)器內(nèi)制）產(chǎn)生的電能為一個100萬人口的現(xiàn)代城市居住的人終生使用。55大家好受控核聚變反應(yīng)的優(yōu)點?氘從海水中提取，資源豐富。提煉氘比提煉鈾容易的多。?氚在反應(yīng)器內(nèi)制(中子與鋰毯反應(yīng)）

63Li+10n

42He+31H

將氦分離開，氘和氚回到反應(yīng)器反應(yīng)?聚變產(chǎn)物是穩(wěn)定的氦核，無放射性污染，無廢料。56大家好中國探月工程的一個重要科學(xué)目標(biāo)－－月球上的氦-3資源

氦-3是一種比鈾、氘、氚可控核聚變能量還大的物質(zhì)。根據(jù)科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，人類未來解決能源問題的途徑將很可能是建立和使用“氦-3”同位素的熱核反應(yīng)堆。據(jù)專家估算，建設(shè)一個500MW的D-氦-3核聚變發(fā)電站，每年消耗的氦-3僅需50公斤，每噸氦-3可以發(fā)電1000億千瓦時。如果將月壤中全部氦-3用于D-氦-3可控核聚變發(fā)電，按照目前世界上能源的消耗水平，月球上的氦-3可以滿足人類1萬年以上的供電需求，此外D-氦-3可控核聚變發(fā)電另一特點是安全和高效而且清潔。57大家好第3節(jié)新能源58大家好

氫能太陽能生物柴油二甲醚可燃冰其他清潔能源水能、風(fēng)能、地?zé)?、海洋等主要?nèi)容59大家好一、氫能氫在周期表中是第1號元素，相對原子量是1.000.在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,它的密度為0.0899g/L,常溫下為無色氣體。1s1其原子核外的電子排布如右圖所示，其核外的電子構(gòu)型為:160大家好氫氣是最清潔的燃料①氫的原料是豐富的水，沒有資源的限制②氫的燃燒生成物是水，不污染環(huán)境③氫來自水燃燒后又回歸于水，不影響地球上的物質(zhì)循環(huán)④與電力儲藏困難相反，氫能儲藏很容易⑤氫能作為取代石油的液體燃料，可用于汽車燃料，飛機(jī)燃料等⑥氫能可由燃料電池直接用來發(fā)電⑦氫與儲氫材料之間的可逆反應(yīng)具有能量轉(zhuǎn)換功能。故可廣泛用于電池等⑧氫可廣泛用作化工等的原料61大家好

氫能的實用化，尚待解決以下技術(shù)難題：廉價的制氫技術(shù)——基礎(chǔ)安全可靠的貯氫和輸氫方法——關(guān)鍵高效率地轉(zhuǎn)換氫能的技術(shù)開發(fā)將氫能用于社會各行各業(yè)的技術(shù)開發(fā)

氫燃料電池汽車是氫能應(yīng)用的主要途徑和最佳表現(xiàn)形式氫能經(jīng)濟(jì)為何遲遲未能全面啟動？62大家好制氫技術(shù)介紹用H2O制氫：電解H2O熱化學(xué)分解利用太陽能分解水生物制H2：模擬光合作用實驗室制氫：Na,Ca與H2O反應(yīng)制H2等工業(yè)制氫：天然氣、石油裂解可制H2，水煤氣可用煤炭制H2，但消耗化石燃料制H2從能源角度講毫無意義。63大家好

取之不竭，使用方便，能再生，無污染。（每秒鐘相當(dāng)于1.3億億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，即5.2×1023KW.h/s，其中1／22億傳到地球，2.8×1024J/a，為目前人類所需能量1萬倍）轉(zhuǎn)換形式（1）光－熱轉(zhuǎn)換?；驹恚菏固柟饩奂?，用來加熱一些物體獲熱能。裝置：A、平板型集熱器如太陽能熱水器；

B、拋物面型反射聚光器如太陽能聚光灶，太陽爐。二、太陽能64大家好二、太陽能65大家好（2）光－電轉(zhuǎn)換基本原理：利用“光－電效應(yīng)”；裝置：太陽能電池如硅電池（轉(zhuǎn)換效率13-20％）存在問題：成本高，受晝夜、天氣影響，難以大規(guī)模使用；太陽能發(fā)電站目標(biāo)：沙漠地帶鋪設(shè)帶有硅電池的集光板。若能利用撒哈拉大沙漠全部輻射能的1％，足以供給全世界，我國第一座建在甘肅省。二、太陽能66大家好生物柴油的特點減少汽車尾氣中SOx和顆粒物排放整個過程少排放CO2，減少溫室效應(yīng)本身無毒、無害，能自行分解回歸自然具有一定的潤滑性，從而延長機(jī)動車的壽命燃燒熱值稍低，傾點較高，影響低溫啟動三、生物柴油67大家好生物柴油的制造植物油與甲醇（乙醇）酯交換制得棉籽油、棕櫚油、椰子油、菜籽油、野生植物油以及海藻等化學(xué)法液堿催化固體堿催化二段催化酶催化68大家好CH2OCOR1CHOCOR23CH3OHCH2OCOR3CH2OHCHOHCH2OHCH3OCOR1CH3OCOR2CH3OCOR3催化劑酯交換法反應(yīng)機(jī)理：++生物柴油的制造69大家好意義：超清潔柴油有利于增產(chǎn)柴油、調(diào)整柴汽比減少原油進(jìn)口，多一條運輸能源安全保障的途徑多一條農(nóng)林業(yè)增產(chǎn)、增收途徑問題：植物油成本高，難與石油柴油競爭對策：政府支持與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合（農(nóng)業(yè)加工工業(yè)）種植低成本油料作物改進(jìn)工藝，利用副產(chǎn)品（甘油、潤滑劑等）降低成本生物柴油的制造70大家好二甲醚(Dimethylether)，簡稱DME，化學(xué)分子式為CH3OCH3，是一種含氧燃料，它無毒性，常溫常壓下為氣態(tài)，常溫時可在五個大氣壓下液化，具有與液化石油氣相似的物性。二甲醚無C-C鏈，其十六烷值大于55，具有優(yōu)良的壓縮性，非常適合于壓燃式發(fā)動機(jī)，用作為柴油機(jī)的代用燃料。而常規(guī)發(fā)動機(jī)代用燃料液化石油氣、天然氣、甲醇，它們的十六烷值都小于10，一般只適合于點燃式發(fā)動機(jī)。四、二甲醚71大家好二甲醚生產(chǎn)工藝一步法由天然氣轉(zhuǎn)化或煤氣化生成合成氣后，在反應(yīng)器內(nèi)同時完成甲醇合成與甲醇脫水兩個反應(yīng)過程和變換反應(yīng)。四、二甲醚二步法先由合成氣合成甲醇，甲醇在固體催化劑下脫水制二甲醚。72大家好二甲醚應(yīng)用用于生活：DME在排放與燃燒方面都優(yōu)于LPG。用于燃?xì)廨啓C(jī)的燃料：建立以DME為燃料的電廠。替代柴油：以超清潔燃料取代柴油是個世界性課題，對中國尤其有挑戰(zhàn)性與迫切性。因為柴油是我國油品中用量最大，也是目前缺口最大的燃料。作為高附加值化工產(chǎn)品的中間原料：如CH3OOH(醋酸)四、二甲醚二甲醚對液化氣鋼瓶有腐蝕作用，易造成閥門泄漏，引發(fā)爆炸事故。73大家好“可燃冰”簡介

99%甲烷＋其他炭氫氣體和水正在燃燒的“可燃冰”“可燃冰”微觀結(jié)構(gòu)圖五、可燃冰74大家好形成條件溫度不能太高：2℃-4℃，適合“可燃冰”的形成，高于20℃就分解；壓力要足夠大：在0℃時，30個大氣壓就可形成越深壓力越大，“可燃冰”越穩(wěn)定；有甲烷