新能源简介

随着科学技术和社会生产力的不断发展，能源的问题显得越来越重要。目前，全世界的能源仍以煤、石油和天然气等化石燃料为主。这些化石燃料储量有限，同时它们又是极其宝贵的化工原料，可以从中提炼和加工出各种化学纤维、塑料、橡胶和化肥等化工产品。将这样重要的化工原料作为能源来使用实在可惜。随着社会生产力的发展和人类生活水平的提高，世界能源的消耗量愈来愈大。据估计，全世界石油、天然气和煤的储量最多只能供给人类使用一、二百年。因此，摆在人类面前的一项紧迫的战略任务就是探索新能源。目前研究开发的新能源主要有以下几种：

1 ．地热能与潮汐能

可利用的地热资源是地下热水、地热蒸气和热岩层。地下热水层一般在地下两千多米深处，温度 80 ℃左右。将地下热水降低压力使之变成蒸气 ( 在 47.34 kPa 时水 80 ℃沸腾 ) ，可推动汽轮发电机发电。

潮汐能利用的是海水涨落造成的水位差。此种能量可以作为动力来推动水轮机发电。地球上潮汐涨落中蕴藏的能量是巨大的，但建造大规模的潮汐电站技术上有很多困难，成本也较高。

2 ．太阳能

太阳每年辐射到地球表面的能量约为 5 × 10 ²² J ，相当于目前世界能量消耗的 1.3 万倍，可以说太阳能是取之不尽用之不竭的无污染的理想能源。因此，太阳能的收集利用是当代科学家十分感兴趣的问题。

目前太阳能利用主要有三种形式。一种是直接利用太阳辐射热，建成太阳灶、太阳能热水器，太阳房 ( 用于采暖 ) 和塑料大棚等，或利用太阳能来发电。太阳能电站是利用集热器吸收太阳辐射的热量，其蓄热材料 ( 液态金属 ) 温度可高达 1000 ℃左右。所吸收的热量通过热交换器将水变成水蒸气推动汽轮机发电。这种转换方式称之为光 - 热转换。第二种是光 - 电转换，即利用太阳能电池将太阳能直接转换成电能。太阳能电池种类较多，主要有单晶硅电池、砷化镓电池、磷化铟电池和多晶硅电池等。目前太阳能电池效率还比较低，成本也比较高。它主要用于人造卫星等宇宙飞行器作为各种仪器设备的动力。第三种是光 - 化学转换，即将太阳辐射直接转换成化学能。绿色植物的光合作用就是光 - 化学转换，但它还不能完全受人控制。因此，研究各种完全可控的光 - 化学转换方法也是当今世界重大的研究课题之一。近年来发现，太阳能辐射到某一光化学反应体系后，能形成动力学上稳定的光产物，使光能转化为化学能而储存起来。另外，在催化剂存在时，由太阳光直接分解水而制得氢和氧的方法也是太阳能利用较有发展前途的一条途径。发展氢能具有独特的优越性。首先，氢的原料是水，资源丰富。另外氢燃烧后的热值较高， 1g 氢燃烧后可放出 143 kJ 的热量，而 1g 煤燃烧只有 31 ～ 32kJ ， 1g 汽油燃烧也只有 48kJ 。还有氢燃烧生成水，它来源于水又还原于水，是顺应自然的一种循环，不会打乱自然界的平衡。又因燃烧产物无烟尘以及其它污染物，所以氢能又是无污染的清洁能源。

虽然，地球接受太阳的总能量很大，但是由于其能量密度很低，取得单位能量的一次投资大，能量转换效率有待提高。

3 ．核能

原子核裂变和聚变时都放出巨大的能量。原子核能是一种比较理想的能源。

(1) 核裂变能

裂变是较重的原子核在足够能量的中子轰击下分裂成较轻原子核的过程。当 ²³⁵ U 原子核发生裂变时，分裂成两个不相等的碎片和若干个中子。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。下面是 ²³⁵ U 裂变中的一种方式：

能够进行裂变反应的还有 ²³⁹ Pu 。

我们知道， 1kg 煤燃烧时放出的热量约为 3 × 10 ⁷ J ， 1kg 汽油燃烧时放出的热量约为 4.8 × 10 ⁷ J ，而 1kg ²³⁵ U 裂变时放出的能量达 8.32 × 10 ¹³ J ，约相当于 2800t 煤或 1700t 汽油。

自前苏联 1954 年建成第一座核电站 ( 反应堆功率 5000kW) 以来，目前世界上已建成四百多座核裂变电站 ( 每年可减少 CO ₂ 排放量约为 1.5 × 10 ⁹ t) 。核电发展之所以这么迅速，除了因为化石燃料资源有限以外，还

排放出大量硫、氮的氧化物污染环境；核电厂排出的废气中所含的放射性比烧煤的火电厂少得多，核电厂运行的安全性也比较好。

我国对发展核电非常重视，在浙江秦山地区自行设计、建造的第一座 30 万 kW 压水堆核电站，广东大亚湾地区引进的两套 90 万 kW 的核电机组均已投入运行。秦山二期工程、大亚湾二期工程及其它地区核电站均在筹建之中。

由于重原子核裂变时产生放射性废物处理比较困难，主要燃料铀的储量也不丰富，开采和提炼又十分困难。因此，原子核裂变能还不是人类最理想的能源。

(2) 原子核的聚变能

核聚变是氢的同位素氘和氚在异常高的温度下结合生成较重的原子核的过程。核聚变需在几千万度高温下进行，且放出巨大的能量 (1.698 × 10 ⁹ kJ · mol ^-1 ) ，所以核聚变反应也称热核反应。核聚变能源具有其它能源无可比拟的突出优点。首先，它的原料储量极其丰富。海水中含有重水， 1kg 海水含氘 0.03g ，地球上有海水约 10 ²¹ kg ，共含氘 3 × 10 ¹⁶ kg 。按世界能源消耗 2 × 10 ²⁰ kJ ／ a 计算，约需燃烧 10 ⁶ kg 氘就够了。可见地球上的氘可够人类利用 3 × 10 ¹⁰ a( 年 ) ，即几百亿年，这是多么巨大的数字！地球的年龄也不过几十亿年，人类历史不过几百万年。可见核聚变能源一旦实现，浩瀚的汪洋大海将成为取之不尽、用之不竭的人类能源的原料仓库。

另外，“燃烧”每单位质量的核聚变燃料释放出的能量非常大，这是核聚变能源的又一突出优点。“燃烧” 1kg 氘相当于 1000t 汽油，也就是说“燃烧” 1kg 海水和燃烧 210 kg 汽油所得的能量相当。

其次，核聚变能源对环境的污染轻，聚变产物没有放射性，聚变电站运行安全。因此，核聚变能是当今人类最理想的、也是一种最新的能源。

从能量的观点看，核聚变反应主要有如下两种：

要使两个轻核发生聚变反应，必须使它们彼此靠得足够近，这样核力才能把它们结合成新的原子核。但原子核带正电，当靠得愈来愈近时，它们之间的静电斥力愈来愈大。要使两个原子核克服巨大斥力而结合，必须具有足够大的速度，即需具有足够高的温度。对于两个氘核的聚变反应，温度必须高达 1 亿度 (10 ⁸ ℃ ) ，对于氘核与氚核间的聚变反应，温度必须在五千万度以上。氢弹爆炸 ( 为核聚变反应 ) 就是由其本身所含的小型原子弹爆炸提供高温而引发的。

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，使得聚变反应释放的能量远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，便可利用聚变反应放出的能量来维持其自身所需的极高的温度，而无需再从外界输入能量。