物理知识系列讲座（三）——物理学与高新技术③物理学与能源技术
物理知识系列讲座（三）——物理学与能源技术3——物理学与能源技术能源是是社会生产和国民经济的重要物质基础，因此人们把它看作国民经济发展的动力、现代生产的血液。随着世界经济的发展和人口的增长，对能源的需求急剧增加。按现在的能源消耗速度，全球煤炭将在200~300年内被采尽，石油将在30~40年后用完，天然气将于60年后耗尽，这些化石燃料是非再生能源，人类已面临日趋严重的“能源危机”。虽然随着勘探和开采技术的进步，会有新的资源被发现，但不会根本改变上述状况，这就要求人们必须不断开发新的能源。煤、石油、天然气既是用量极其巨大的常规能源，又是宝贵的化工原料，且储量有限。此外，这些化石燃料在利用过程中向大气排放大量的SO2、CO2、氮氧化物、粉尘等污染物，造成酸雨、温室效应、臭氧层破坏等严重的环境问题。太阳能、氢能、化学能、水能、风能、核能等可再生能源和新能源的开发利用可以缓解能源危机，改善能源结构，从而有助于上述问题的解决。能源技术是关于能源的开发、输运、贮存、利用及节能的手段与方法的综合。物理学是能源技术的基础，18世纪初蒸汽机的发明和利用、19世纪初电能的使用、20世纪中叶以来对原子能的利用等无不以物理学的发展为前提，各种新能源的开发利用、新的能量转换技术和节能技术的实现同样有赖于物理学理论和实验的进展。可以说，能源技术的过去、现在和将来都与物理学密切相关。本节除介绍能源概况外，还将重点介绍热能、机械能、电能、太阳能、氢能、生物质能、核能的开发利用及相关物理基础。一、 能源的分类能源指能量的来源和各种提供能量的物质资源。地球上的能源形形色色，分类方法多种多样。按能量的形成和来源分，能源有三类。第一类是来自地球外天体的能量，其中主要是太阳辐射能及与此有关的能源如风能、水能、煤、石油、天然气、生物能等。例如水能，在水循环过程中，海水吸收太阳能，蒸发为水蒸气，上升到高空，具有势能，水汽输送到陆地上空，形成降水，水在流动过程中，势能转化为动能，可用于发电，所以说水能来自太阳辐射。其它几种能源也类似。第二类是来自地球内部的能量，包括地热能、地球上的核燃料。第三类是来自地球与天体相互作用的能量，如潮汐能。按能源成因和转换传递过程分类，可分为一次能源和二次能源。一次能源是指没有经历任何转换过程的能源，包括所有天然存在而技术上又可以开发利用的各种能量资源，如煤、石油、天然气、生物燃料、水能、核能、海洋能、风能等。一次能源转换之后所提供的能源称为二次能源，如煤气、汽油、电能、焦炭、蒸汽、沼气等等。在进行储量评价时，又分为可再生能源和不可再生能源。可再生能源是指自然界能有规律地不断补充、永不枯竭的能源，如地热能、太阳能、风能、水能等。不可再生能源是指要经过几十万年甚至上亿年地质时期才聚集形成，在现有储量用完前得不到补充的能源，如煤、石油、天然气、核能等。按开发利用状况，可将能源分为常规能源和新能源。常规能源是指技术上比较成熟、目前已广泛使用的能源，如煤、石油、天然气、水能、生物能（如薪柴）等。新能源是指目前尚未大规模使用，有待进一步研究、开发和利用的能源，如核能、太阳能、地热能、风能、海洋能、氢能等。但是这种划分是相对的，现在的常规能源曾是过去的新能源，而现在的新能源亦会成为未来的常规能源；有的能源对一些国家来说可能是新能源，而对有些国家来说却可能是常规能源。例如核裂变能在20世纪50年代是新能源，但现在不少国家已把它列为常规能源。我国和一些发展中国家，核裂变能的利用还在初期，仍把它看作新能源。此外，已长期广泛应用的能源，如果采用了更系统的方法或更先进的技术，也可以称为新能源，如烧煤的磁流体发电系统。根据能源使用过程对环境的污染程度，把造成污染较小的能源叫做清洁能源，如太阳能、水能、风能、氢能等；把造成较大环境污染的能源叫做非清洁能源，如煤、油页岩、石油等。清洁与否在这里也是相对的，例如石油比煤的污染小，石油相对于煤来说便是清洁能源。从能源的上述分类我们可以清楚地看到，开发利用新能源、可再生能源和清洁能源是缓解能源危机、减少环境污染的有效途径，是能源技术发展的主要方向。二 、能源的开发利用随着人们对能量形式的认识不断深入和近代大工业生产发展的需要，开始了能源的大规模开发利用。按物质运动形式，大致可将能量形式划分为：热能、机械能、电能、化学能及核能等。在一定条件下，各种形式的能量可以相互转化，这是开发和合理使用各种能源的基础。1. 热能几千年来，人们一直广泛利用各种燃料燃烧产生的热量来冶炼金属、烧制各种材料和用品、照明、取暖、烹制食物等，但这只是热能的直接利用。1712年英国工程师纽科曼发明了活塞式蒸汽机，实现了热能到机械能的转换，这是继火的利用后人类能源利用史上的又一里程碑。1765年英国机械师瓦特发明了分离冷凝器，对纽科曼蒸汽机进行了改良，使转换效率由1%提高到4%，并于1769年取得了专利。后来又经过多次改进，瓦特蒸汽机的效率和功率进一步提高，结构也逐渐完善，因而迅速被各工业部门采用，淘汰了纽科曼蒸汽机。瓦特蒸汽机的广泛应用使劳动者的数量和体能不再成为制约生产力发展的决定性因素，从而导致了第一次产业革命。到19世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要知道热和功的关系及对热机作功作出理论上的分析，所以热与机械功之间的转换得到了广泛研究。1824年卡诺提出了卡诺循环，从理论上给出了热机效率的上限及其提高途径。1843~1878年，焦耳通过大量实验测得了精确的热功当量值。1850年克劳修斯等发现热力学第二定律，1854年他提出熵的概念及计算公式。1851年，开尔文从热功转换角度表述热力学第二定律。众多物理学家经过几十年的潜心研究于19世纪中后期建立了能量守恒定律、热力学和统计物理学。提高热机效率的过程促进了热力学的发展，而物理学的发展又为热机性能的进一步提高提供了理论基础。热机技术的应用为人类提供了新的动力源，极大地推动了社会生产力的发展。事实上，现代社会生产和生活中的机械功主要还是由热能转化而来的，煤、石油、天然气等仍是产生这类热能的主要燃料。因此寻找燃烧值高的燃料和放能多的化学反应、提高热机效率等便成为热能开发的重要途径。（1）煤、石油、天然气这是目前人们使用的主要能源，在世界一次能源消费结构中约占93%左右。这些能源是由远古时期埋藏于地下的动植物经过漫长的地质作用而形成的，所以也称为化石能源或矿物能源，它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。煤既是动力燃料，又是炼焦、制煤气、合成氨和炭素材料等的重要化工原料，素有“工业粮食”之称。用煤做燃料可以获取热量或提供动力。世界工业史上，以燃煤驱动瓦特蒸汽机使世界能源结构由生物质能时代进入矿物能源时代。此外，燃煤热能还可转化为电能（火力发电）进行廉价便捷的长途输送。煤燃烧残留的煤矸石和灰渣可作建筑材料。虽然煤燃烧造成环境污染，但在未来的100年中，煤仍然是一种主要的能源，洁净燃煤技术是当前能源开发的热点。石油又称原油，是当今世界最重要的动力能源，又是近代有机化工的重要原料。石油炼制生产的汽油、煤油、柴油、重油以及天然气是当前的主要能源，占当今世界能源消耗总量的60%，此外，炼油还可提供润滑油、液化石油气、石油焦、石蜡、沥青等产品。以炼油产品为原料可生产多种有机化工原料（约200种）、高分子合成材料 （塑料、橡胶、合成纤维等）及无机化工原料（氨、尿素、硝酸等）。 从能源、材料、农业、各工业部门到日常生活等诸多领域，石化产品的身影无处不在，所以石油被誉为“工业的血液”。天然气是世界公认的优质高效能源和可贵的化工原料。早在3 000多年前，我国就已钻凿气井、以气熬盐做饭，比煤的使用早了1 000年。天然气的主要成份是甲烷（CH4），作为燃料具有开采成本低、运输和使用方便、价格相对稳定、燃烧值高、能源效率高（燃煤电厂的能源利用率不超过38%，而天然气发电效率可达52%以上）、资源丰富、用途广泛（发电、城市燃气、工业燃料、汽车燃料等）、清洁（相对煤和石油而言污染极少）等优点。 天然气作为化工原料可生产上千种化工系列产品。（2）地热能地球是一个大热库，平均每深入地壳1km，温度升高20~30oC，每年以温泉和火山岩浆等形式自动散发到地面的热量相当于燃烧370亿吨标准煤产生的热量。地热能是指地球内部释放到地表的能量。地球上的地热资源极其丰富，其总储量相当于煤储量的近两亿倍。以目前的钻井技术，钻到地下10 km的深度，估计地热能总量相当于世界年能源消费量的400多万倍。可利用的地热资源是地热蒸气、地下热水和热岩层。地热蒸气的温度在100oC左右，可直接利用。地下热水一般在地下两千多米深处，温度80℃左右，可直接用于浴疗、地热采暖、地热养殖、地热温室等方面或作为染织、制革、造纸、烘干、工业锅炉等的用水，也可降低压力使之变成蒸气，推动汽轮发电机发电。热岩层的能量可以用水等介质带出来再加以利用。人类对地热能的开发和利用，主要集中于发电。目前，世界上已有二十多个国家建立了地热发电站。我国地热资源丰富，开发利用也较早，已在各地建立了多座地热能发电站。地热能的利用，占地很少，成本低，无废渣、粉尘污染，用后的弃（尾）水既可综合利用，又可回注到地下储层，达到增加压力保护储层、保护地热资源的双重目的。世界各国对地热能的开发利用还处在初级试验阶段，且利用温度仅限于地下2km处。要使更深处的更多地热能得到利用，必须依靠地球物理、力学、热学、电学、物理学及其它相关科学技术的发展。2. 电能电能是由各种天然能源通过人工过程由热能、机械能、化学能等形式转化而来的二次能源。可用于生产电能的天然能源包括煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能、核燃料等。电能由于输送快捷、使用方便（可方便地转化为其它形式的实用能源，且转换效率高、能精确控制）、安全可靠、利用过程污染小而在能源中占有极为重要的地位，成为应用最广泛的能源。交流电可以方便地通过变压器提高电压进行远距离输送，但输送过程的电能损失接近30%，此外还存在严重的终端浪费，因此亟需提高输电效率和终端利用效率。电力工业是国民经济的基础产业和重要的公用事业，电能在我国当前的总体能源结构中处于基础和中心的地位。为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电能在终端能源中的比例。21世纪，电力的战略地位将变得越来越重要。3. 机械能源 海洋能人类对机械能源的利用历史悠久，水车、风车是人类最早使用的以机械能源为动力源的动力装置。当前，机械能源开发的对象除水力、风力外，还包括潮汐能、海浪能等海洋能，开发方向是将这些能源转化为电能。（1）水能和风能水能和风能都是由太阳辐照而产生的可再生的清洁能源，利用方式主要是发电。水力发电原理是将水的势能转变为电能。因此水力发电要拦河筑坝、修建水库，而这又可起到防洪、供水、发展航运等多重作用。我国水力资源居世界第一位，但我国水力资源分布不均，70%多集中在西南地区，四川、西藏、云南三省，虽然客观上制约了水电的开发和利用，但为集中开发和规模外送创造了条件。我国人均化石能源资源较少，相对而言，水力资源具有较大优势。从我国能源资源特点来看，优先发展水电是必须坚持的能源发展方针。太阳辐照大气层，各处大气受热不均而产生温差，从而引起大气对流运动，形成风能。因此，风能就是空气流动的动能。太阳辐射到地球的能量约有20%转化为风能。风能的特点是：①能流密度小，仅为水的1/1000，因而设备庞大；②风速多变，难以维持稳定的输出功率，但一些国家的变速设计已可在风速不断变化的情况下，保持发出的交流电稳定正常；③时空分布不均；④利用简单、无污染、可再生。在节能环保的大趋势下，世界风电迅猛发展，近年装机容量每年增长近30%。预计到2020年，年发电量将占全球发电总量的12%，有可能成为世界未来最重要的替代能源。（2）海洋能海洋蕴藏有极为丰富的可再生能源，海水中的氢和核聚变燃料氚、氘，以及包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能和盐差能在内的海洋能都取之不尽、用之不竭。海洋能主要来源于太阳辐照、地球与其它天体的相互作用，虽然能流密度小、稳定性差、开发利用工艺复杂、对设备材料和技术要求高、成本高，但因为其总蕴藏量大、分布地域广阔、变化有规律可循、无污染、可再生而成为新能源开发的热点。1)潮汐能 潮汐是海水受月球和太阳等天体的引力作用而产生的周期性涨落现象。海水的这种涨落包含垂直运动（潮汐）和水平运动（潮流）。潮汐能就是由潮流的动能转化而来的海水势能，能量与潮差（潮汐形成的水位差）大小和潮量成正比。世界上潮差的较大值约为13～15m，其能量密度远低于水力发电，但一般说来，平均潮差在3m以上就有实际应用价值。潮汐能转变为动能可以推动机械装置或推动水轮机发电。潮汐能发电研究己有百年之久，在海洋能开发中技术最成熟，规模最大。2)波浪能 海面在风力作用下产生波浪。波浪能就是海面波浪的动能和势能，能量大小与波高的平方和波动水域面积成正比，能量传递速率和风速、连续吹风时间、风与水相互作用的距离等诸多因素有关，因此在海洋能中它的稳定性最差。波浪能开发利用的设想已有上百年历史，方案五花八门，专利成百上千，但基本原理不外乎：①利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动，②利用波浪压力的变化，③利用波浪沿岸爬升将波浪能转换成水的势能。1964年日本制成世界上第一盏用波力发电的航标灯，标志着波浪能开发进入实用阶段。经过70年代对多种波能装置进行的实验室研究和80年代进行的实海况试验及应用示范研究，波浪发电技术已接近实用化水平。全世界有20多个国家开展波能利用研究，相继建成了20几个波能转换装置或电站。波浪发电在今后10年内有望达到目前风能利用的经济技术水平，成为规模化、商业化的新能源。3)温差能 温差能是指海洋表层海水和深层海水之间以温差形式储存的巨大热能。低纬度地区，海洋表层温度为25~28oC，500~1 000m深处的温度为4~7oC，存在约20oC的垂直温差，利用这一温差可以实现热力循环并发电。但热力学理论告诉我们，循环效率是很低的，这也是温差能利用的难点，好在其资源总量巨大，能量稳定。目前开展温差发电研究的有美、日、法、英等十几个国家，美国和日本已在海上建立了多座温差试验电站或装置，技术已基本成熟，但尚未达到商业化水平。我国在上世纪80年代开始温差能利用研究，目前还处于实验室研究阶段。海洋温差能利用装置除发电之外，还可以作为海水淡化厂或海洋采矿、海上城市或海洋牧场的支持系统，这是一个多学科交叉的系统工程问题。总之，温差能的开发应以综合利用为主。4)海流能 由于不同海域的温度和盐度不同造成的海水密度和压力差异、地球自转产生的惯性离心力、海面风力作用等原因而形成的海水定向流动，称为海流。海流能是指海水流动的动能，能量与流速的平方和流量成正比，能流密度约为风能的1 000倍。一般说来，最大流速大于2米／秒的水道，其海流能就有实际开发价值。海流能发电原理和风力发电相似，风力发电装置几乎都可以改造成海流发电装置，但由于装置放在水下，故必须解决安装维护、电力输送、防腐、安全性等一系列关键技术问题。20世纪70年代，海流能利用研究才开始起步，目前仍处于试验阶段，参与的国家也只有美、日、中、英、加拿大、意大利等少数几个。5)盐差能 在江河入海口，淡水和咸水会自发扩散、混合，若隔以半透膜，则淡水向海水一侧渗透可产生渗透压力，其间蕴含的能量称为盐差能，其能量与渗透压和渗透流量成正比。淡水和咸水之间的渗透压力能产生240m的水位差，在死海甚至能产生5 000m的水位差，再把水泻放，使势能转化为动能，便可利用水轮机发电。但开发难度很大，一些国家从上世纪70年代开始研究试验，如今虽然技术实现了盐差能发电，但存在投资过大、成本太高等缺点，离实用化还有很大距离。4. 太阳能太阳是一个永不枯竭的能源库，每年辐射到地球表面的能量相当于目前世界能源年消耗量的1.3万倍，是地球上能量的主要来源，如动植物体内储存的能量、化石能源、水能、风能、波浪能、海流能、温差能等都直接或间接来自太阳。太阳能资源无穷无尽、分布不受任何人的控制与垄断、利用过程清洁安然、利用规模可大可小，所以其开发利用备受关注。但由于时空分布不均、能流密度低、设备庞大、占地多、投资大等不足而受到了制约。近几十年，材料技术、电子技术等的发展使太阳能利用的规模和范围日渐扩大，能量转换效率逐步提高。随着科学技术的不断进步，太阳能终将成为未来能源家族的重要成员。太阳表面温度6 000K，中心温度可能高达1.5×107K，高温使氢、氦等组成物质成为等离子体。太阳引力把高温等离子体约束在一起发生核聚变反应，释放出巨大的能量，这就是太阳能的来源。太阳质量极其巨大，因而产生的能量仍非常惊人。太阳每天“燃烧”约52万亿吨氢，质量亏损3 720亿吨，释放能量3.35×1031J，数量巨大，但太阳总质量为2×1027吨，保证了它能稳定存在几百亿年。太阳源源不断地向宇宙空间辐射能量，到达地球大气层的仅22亿分之一，其中约53%被大气层反射和吸收，只有47%左右到达地球表面。能开发利用的太阳能是到达地球表面的部分，利用方式主要有光热转换、光电转换和光化学转换。（1）光热转换将太阳辐射能转换成可利用的热能谓之光热转换，其基础是热箱原理。如图9-3-1所示，箱体侧面和底部用隔热材料密封，以防止热量散失，内表面均涂成黑色，以增强吸热能力。热箱顶部封上玻璃或其它透明材料，太阳光充分透过玻璃射入箱内，太阳辐射能被涂黑的内表面吸收并转换为热能。由于箱壁隔热，且玻璃对箱内产生的长波热辐射有阻挡作用，从而使箱内温度不断升高。由于箱体不可能完全隔热，所以热箱温度通常在200oC以下。热箱原理已广泛应用于非聚光式太阳能热利用设备中，如太阳能热水器、太阳能温室、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器等。图9-3-1 热箱除热箱外，还可利用聚光镜收集太阳能。太阳光经聚光凹面镜反射聚焦后，能量密度大为增加，焦点处的温度高达几百甚至上千摄氏度，这正是太阳灶、太阳能高温炉等的集热原理。利用热交换器和汽轮发电机还可将这种高密度热能转变为电能，实现太阳热发电。目前世界上已建成十几座太阳能热电站，并开始商业化运作。（2）光电转换1954年，美国贝尔实验室发明了将太阳辐射能直接转换为电能的装置——太阳能电池。它是光电转换的主要器件，是目前太阳能光电利用最基本的方式，其物理基础是“光生伏特效应”（参见本章第二节）。（3）光化学转换利用光和物质相互作用发生化学反应，即光化学效应，将太阳能转化为化学能或电能，称为光化学转换。光化学电池就是利用光化学效应，使电解液内形成电流而对外供电的。人类使用的化石能源就是绿色植物通过光合作用将太阳能转化变成化学能而保留下来的遗产。光合作用对太阳能的利用效率极高，若能实现对这一过程的控制，则人造粮食、人造燃料将不再是梦想。太阳能光化学效应的另一重要应用是制氢，目前有两种途径：①用半导体作光催化剂，让太阳光直接分解水，产生氢和氧；②利用太阳能通过繁殖极快的藻类或其它植物和微生物进行生物制氢。5. 氢能氢是自然界最丰富的元素，约占宇宙质量的80%。作为能源，氢的优势非常明显：①燃烧值为1.42×108J/kg，是汽油的3倍；②燃烧速度快、火焰温度高，有利于获得高功率，可用于切割和焊接金属；③燃烧产物是水和少量氮氧化物，处理后不会污染环境；④资源丰富，仅地球上的水中的氢就有2.31×1020吨，燃烧生成的水又可继续制氢，可谓“取之不尽，用之不竭”；⑤利用形式多，既可燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功（现有内燃机稍加改装即可使用），又可用于燃料电池；⑥能以气态、液态和固态形式贮存，适用于各种应用环境。由于上述优点，人们认为氢能将和聚变能一起构成21世纪最主要的能源。但氢能的开发利用还需解决两个难题：一是廉价易行的制氢工艺；二是廉价便捷的贮存和运输方式。制氢的方法很多，但都处在不断探索中。目前主要通过化石燃料改性制氢，但要消耗化石能源。从资源角度看，水是最佳制氢原料。电解水制氢的技术较为成熟，转换效率也较高，但要消耗大量电能，因而不能从根本上解决问题。最理想的方案是利用太阳能制氢，除前面提到的光催化方法外，还可利用聚光式太阳能装置产生的高温对水蒸气进行热分解，制得氢气和氧气。氢的储存方法很多，目前公认最好的办法是用贮氢合金进行存储（见第二节）。鉴于氢能的种种优点，自20世纪90年代以来，很多国家拿出巨额资金进行研究开发。有些专家甚至认为，2050年前氢能将取代石油成为主要能源，人类将进入 “氢能经济”时代。6. 生物质能绿色植物通过光合作用合成有机物，将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量称为生物质能，包括薪柴、农作物秸秆、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等，优点是资源丰富、廉价易得、燃烧容易、可再生、污染少，缺点是热值及热效率低、体积大而不易运输。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，在世界能源结构中约占14％，在不发达地区占60％以上，仅次于煤炭、石油和天然气，在整个能源系统中占有重要地位。目前，生物质能利用方法主要有：①把生物质压制成特定形状的燃料，以便集中利用和提高热效率；②用热化学转换法，获得木炭、焦油和可燃气体等高品位能源产品；③用生物化学转换法，即利用微生物的发酵作用，获得沼气、酒精等能源产品；④利用油料植物生产生物油。生物质能技术的研究开发已成为能源领域的重大热门课题之一，受到世界各国政府与科学家的关注，并制订了相应的开发研究计划。许多国家的生物质能技术和装置都已达到商业化应用程度，实现了规模化产业经营。有关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到本世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40％以上。7. 核能核能又叫原子能，是原子核在发生变化时由于质量亏损而释放出来的能量，包括裂变能和聚变能两种主要形式。核能是能源家族的新成员。1938年，德国人哈恩和斯特拉斯曼用慢中子轰击铀核，发现了铀核的裂变和放出的巨大能量。1939年，费米和居里夫妇等人发现了铀核连续裂变的链式反应，这是原子弹和原子反应堆的基本原理，从而找到了利用核能的途径。1942年美国建成世界上第一座核反应堆，预示着核能时代到来。1945年第一颗原子弹爆炸成功，1954年前苏联建成第一座试验核电站，此后核能被广泛应用于发电、供热以及为潜艇和大型船舰提供动力。全球目前已有30多个国家共建立了400多座核电站，核电已占世界总发电量的17%。核能之所以迅速发展，原因在于：①其能量巨大而集中，易于获得大功率；②燃料运输费用少，地区适应性强；③运行成本低，清洁安然；④资源丰富，能长期大规模替代常规能源，从根本上解决能源问题。正因为如此，所以任何一个可持续的能源计划都包括核能的开发利用。（1）核裂变能核裂变是重核分裂成较轻原子核的过程。裂变模式有两种：一是少数很重的原子核的自发裂变；二是用中子轰击原子核引发裂变，同时放出2~3个中子。裂变过程相当复杂，已经发现裂变产物有35种元素，放射性核素有200种以上。235U分裂成两个碎片核的方式就有60多种，下面是其中的两种：，一次自发裂变释放的能量约200MeV，但由于是“自发”的，因而无法控制。核物理实验和理论表明，A>100（Z >44）的原子核被足够能量的中子轰击发生裂变才会释放能量，且A越大放出的能量越多。裂变产生的新中子（也称为快中子）继续引发新的裂变，形成自持链式反应，使大量原子核在很短时间内裂变，释放出巨大的能量。原子弹和核反应堆就是通过链式反应释放核能的，前者因为不对反应进行控制而形成爆炸，产生大规模杀伤破坏作用；要实现原子能的和平利用，就必须对链式反应加以控制，使其平稳进行，按要求释放能量，后者正是这样的装置。235U是最常用的核燃料，但天然铀由99.282%的238U、0.712%的235U和微量的236U三种同位素组成。若用它做核燃料，则235U裂变放出的快中子绝大部分与238U碰撞。能量大于1.1MeV的快中子能使238U裂变，但只有少数快中子引起238U裂变，其余的在能量降到几十电子伏特时被238U吸收，因此238U不能产生链式反应。任何能量的中子与235U作用都能引起裂变，且能量越低裂变概率越大，0.025eV的热中子引发裂变的概率最大。但在天然铀中，裂变产生的快中子（平均能量2Mev）在慢化到热中子之前就被吸收了，链式反应无法进行。为使链式反应持续进行，通常采用两种办法。一种是以浓缩铀为燃料，即提高235U的含量，使裂变中子有更多机会与235U作用而引发裂变；另一种是采用中子慢化技术，即利用中子与质量数较小的原子核碰撞会很快损失能量的特点，在燃料中加入重水、轻水、石墨等慢化剂，使快中子快速变为热中子，以免被238U吸收。以热中子维持链式反应的反应堆称为热中子堆。此外，由于镉对热中子有很强的吸收能力，因而通过镉棒在反应堆芯中的插入、抽出可以达到对裂变反应速度的控制。238U产生不了链式反应，故不能直接用作核燃料，但它吸收中子变成239U，再经两次衰变成为239Pu：，，。239Pu与235U类似，快中子和热中子都能使其裂变，且能量越低裂变效率越高，因此239Pu可以做反应堆的核燃料。应用快中子增殖堆技术不仅可将238U转化为核燃料239Pu，还能将232Th转化为核燃料233U，这样238U、贫铀、232Th都可作为核裂变能源，大大延长核裂变能的使用期限。我国已成为世界上少数拥有快堆的国家之一。重核裂变产生的放射性废物难以处理，核燃料的储量也不很丰富，开采和提炼又十分困难。因此，核裂变能还不是人类最理想的长期能源。(2)核聚变能轻原子核聚合成较重的原子核称为核聚变，该过程中释放的能量称为核聚变能。自然界中最容易实现的聚变反应是氘、氚之间的聚变，这种反应在太阳上已经持续了150亿年，其总效果可用表示为：。与核裂变相比，核聚变有如下优势：①能量更大、更集中，聚变反应中每个核子贡献的能量为3.6MeV，而裂变反应中每个核子贡献的能量仅约0.85 MeV；②核聚变燃料储量极其丰富，仅海水中的氘（约40万亿吨）就可供人类使用几百亿年，此外用地球上的2000多亿吨锂制造的氚也能供我们使用几十万年，因而一旦实现可控核聚变，人类就将从根本上解决能源问题；③聚变产物是氦，没有放射性，污染小。要使两个轻核发生聚变反应，必须使它们靠近到10-14m以内，核力才能把它们结合成新的原子核。但参加反应的原子核带电，靠得愈近，静电斥力愈大。这样两个原子核要克服巨大斥力而结合，就必须具有足够大的速度，即需具有足够高的温度。两个氘核的聚变反应，温度必须高达1亿度，氘核与氚核间的聚变反应，温度必须在五千万度以上。这固然增加了聚变反应的难度，但当某一环节出现问题时，燃料温度就会下降，聚变反应就会自动中止，因而也提高了安然性。在核聚变的高温条件下，物质已全部电离形成高温等离子体。在聚变过程中，需对高温等离子体进行充分的约束，使其达到一定密度并维持“足够长”的时间，以便充分地发生聚变反应，放出足够多的能量。但约束高温高密等离子体绝非易事，这要求所用“容器”既耐高温又不能导热，否则温度立即下降，聚变反应停止，人们至今未能找到符合要求的具体材料。目前，约束这种等离子体的方法有三种：引力约束（如太阳）、磁约束（如托卡马克）、惯性约束（如氢弹）。作为能源，聚变反应释放的能量应大于产生和加热等离子体本身所需的能量及其在这个过程中损失的能量，这样才能维持聚变反应所需的极高温度，并向外界输出能量。核聚变能是当今人类最理想的、也是一种最新的能源。遗憾的是，我们还无法实现对核聚变反应的控制，将其做成实用能源。三、能源的现状与未来 新能源的开发纵观人类社会发展全过程，从火的使用、蒸汽机的发明、电能的应用到核能的开发，能源技术的每一次突破都导致了社会生产力的飞跃和人类文明的巨大进步。如今，能源生产和消费在很大程度上反映和决定了一个国家的生产力水平的高低，因此能源问题也就成了一个具有战略意义的重大问题。随着社会的不断进步，人们对能源的需求不断增长，能源结构也不断变化。1900年全世界能源消费总量为7.75亿吨标准煤，2004年增长到了180亿吨。20世纪60年代以前，世界一次能源消费量最大的是煤，其次是石油和天然气。60年代以后，石油所占的比例急剧增加，到70年代末，石油和天然气的消费量占到了70%。化石能源仍是当前世界能源消费的主体，而我们正面临化石能源将在短时期内枯竭的严峻形势，为此世界各国都积极研究开发风能、海洋能、太阳能、氢能、核能等可再生的新能源，并在不同程度上取得了可喜成果。我国的能源消费总量约占全世界的11%，仅次于美国而居世界第二位，但人均消费量却不及美国的10%，且能源利用经济效率远低于发达国家水平，能源结构不合理。我国的能源特点是煤炭、各种可再生能源储量丰富，石油、天然气资源短缺，资源分布不均，煤炭占终端能源消费的比重太高，可再生能源开发利用率太低。我国能源工业面临着增加供给与保护环境的双重压力。为实现2020年GDP比2000年翻两番的总体目标，我国政府把依靠技术进步、发展能源工业、提高能源利用率、降低煤烟型污染作为能源工业可持续发展战略的重点，坚持节约与开发并举、大力调整能源生产与消费结构、大力发展煤炭洁净技术、积极发展新能源和可再生能源。太阳能、核能等可再生能源和新能源的开发利用是人类解决能源危机的必然选择。
