第六章物理学与能源科学PPT讲稿.ppt

《第六章物理学与能源科学PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章物理学与能源科学PPT讲稿.ppt（53页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第六章物理学与能源科学2022/10/201第1页，共53页，编辑于2022年，星期三第六章第六章物理学与能源科学物理学与能源科学第一节第一节能源的概况、利用和开发能源的概况、利用和开发一、能源分类一、能源分类二、常用能源二、常用能源 三、我国能源现状三、我国能源现状第二节第二节核能的开发和利用核能的开发和利用一、核能的发展历程一、核能的发展历程二、重核裂变的可控性二、重核裂变的可控性三、核电的优势及发展概况三、核电的优势及发展概况第三节第三节可控的核聚变反应可控的核聚变反应第2页，共53页，编辑于2022年，星期三第一节第一节能源的概况、利用和开发能源的概况、利用和开发 能源是为人类能源是为

2、人类 的生产和生活的生产和生活提供各种能力提供各种能力和动力的物质和动力的物质资源，是人类资源，是人类社会活动的物社会活动的物质基础质基础。第3页，共53页，编辑于2022年，星期三一、能源分类一、能源分类来自地球以外的来自地球以外的主要是太阳辐射能。除了太阳直接照射到地球的光主要是太阳辐射能。除了太阳直接照射到地球的光和热外，传统能源煤、石油、天然气、生物质能也和热外，传统能源煤、石油、天然气、生物质能也都间接地来源于太阳。都间接地来源于太阳。地球本身蕴藏的地球本身蕴藏的如地球内部的地热能，地壳中保留的核燃料（铀、如地球内部的地热能，地壳中保留的核燃料（铀、钍、锂等）所储存的核裂变能，海洋中

3、氘、氚储钍、锂等）所储存的核裂变能，海洋中氘、氚储存的核聚变能等。存的核聚变能等。地球与其他天体相互作用产生的地球与其他天体相互作用产生的 地球和月亮、太阳等天体相互作用所产生的能量，地球和月亮、太阳等天体相互作用所产生的能量，如风能、潮汐能等。如风能、潮汐能等。按按照照能能源源来来源源划划分分第4页，共53页，编辑于2022年，星期三太阳向地球辐射能量太阳向地球辐射能量太阳能第5页，共53页，编辑于2022年，星期三直接利用太阳能直接利用太阳能光合作用光合作用空气、地表吸热空气、地表吸热煤炭煤炭食物中的化学能食物中的化学能太阳能第6页，共53页，编辑于2022年，星期三太阳灶太阳灶航天器航天

4、器太阳能热水器太阳能热水器太阳能发电装置太阳能发电装置第7页，共53页，编辑于2022年，星期三地地 热热 能能第8页，共53页，编辑于2022年，星期三n冰岛地热冰岛地热西藏羊八井地热电站，是我西藏羊八井地热电站，是我国最大的地热电站国最大的地热电站第9页，共53页，编辑于2022年，星期三潮潮汐汐能能n潮汐的形成潮汐的形成 因月球引力的变化导致海水平面因月球引力的变化导致海水平面周期性地升降，因海水涨落及潮水流周期性地升降，因海水涨落及潮水流动所产生的能量，称为潮汐能。动所产生的能量，称为潮汐能。潮汐导致海水平面的潮汐导致海水平面的升高与降低呈周期性。升高与降低呈周期性。每一月份满月和新月

5、每一月份满月和新月的时候，太阳、地球的时候，太阳、地球和月球三者排列成一和月球三者排列成一直线。此时由于太阳直线。此时由于太阳和月球累加的引力作和月球累加的引力作用，使得产生的潮汐用，使得产生的潮汐较平时高，此种潮汐较平时高，此种潮汐称为春潮（称为春潮（大潮大潮）。）。当当地球、月球和地球、太地球、月球和地球、太阳成一直角，则引力相阳成一直角，则引力相互抵消，因此而产生的互抵消，因此而产生的潮汐较低，是为小潮潮汐较低，是为小潮。第10页，共53页，编辑于2022年，星期三浙江温岭江厦潮汐发电站，是世浙江温岭江厦潮汐发电站，是世界第三大潮汐发电站。界第三大潮汐发电站。第11页，共53页，编辑于2

6、022年，星期三潮潮 汐汐 能能法国郎斯潮汐法国郎斯潮汐电电站站潮汐能发电第12页，共53页，编辑于2022年，星期三 世界海洋潮汐能蕴藏量大约为世界海洋潮汐能蕴藏量大约为27亿千瓦，亿千瓦，如全部转化成电能，每年发电量大约为如全部转化成电能，每年发电量大约为1.2万亿万亿度。潮汐能不仅无污染，而且和海浪能、风能、度。潮汐能不仅无污染，而且和海浪能、风能、太阳能这些再生能源相比还有其优势，潮汐能可太阳能这些再生能源相比还有其优势，潮汐能可以不间断地发电，而海浪能、风能、太阳能在较以不间断地发电，而海浪能、风能、太阳能在较大程度上受气候的影响。因此，如何开发和利用大程度上受气候的影响。因此，如何

7、开发和利用潮汐的巨大能量已成为当前许多国家研究的课题。潮汐的巨大能量已成为当前许多国家研究的课题。2003年第一座商用水下潮汐能发电站在挪威并年第一座商用水下潮汐能发电站在挪威并网发电，预计网发电，预计5年内将有年内将有10万人用上这种新能源。万人用上这种新能源。第13页，共53页，编辑于2022年，星期三按按能能源源是是否否可可从从自自然然界界得得到到补补充充 可再生能源可再生能源非再生能源两大类非再生能源两大类太阳能、水能、生物质能（柴太阳能、水能、生物质能（柴草）、风能、潮汐能、地热草）、风能、潮汐能、地热.煤炭、石油、天然气煤炭、石油、天然气等化石燃料等化石燃料第14页，共53页，编辑

8、于2022年，星期三二、常用能源二、常用能源 1 1、煤炭、煤炭世界煤炭资源分布图世界煤炭资源分布图第15页，共53页，编辑于2022年，星期三人类开发利用煤炭的人类开发利用煤炭的历史悠久，早在历史悠久，早在2000多年前的我国春秋战国多年前的我国春秋战国时期，就已用煤作燃料。时期，就已用煤作燃料。18世纪世纪60年从英国开年从英国开始的产业革命，使能源始的产业革命，使能源结构发生第一次革命性结构发生第一次革命性变化从生物质能转向了变化从生物质能转向了矿物能源，既由木炭转矿物能源，既由木炭转向了煤炭。至今煤炭仍向了煤炭。至今煤炭仍是人类最重要的能源之是人类最重要的能源之一。一。煤炭的形成煤炭的

9、形成第16页，共53页，编辑于2022年，星期三采煤向来是一项最艰苦的工作，当前正在花较大的力量来改善工作条件。采煤向来是一项最艰苦的工作，当前正在花较大的力量来改善工作条件。由于煤炭资源的埋藏深度不同，一般相应的采用由于煤炭资源的埋藏深度不同，一般相应的采用矿井开采矿井开采（埋藏较深）和（埋藏较深）和露露天开采天开采（埋藏较浅）两种方式。可露天开采的（埋藏较浅）两种方式。可露天开采的资源量在总资源量中的比重大小，资源量在总资源量中的比重大小，是衡量开采条件优劣的重要指标，我国可露天开采的储量仅占是衡量开采条件优劣的重要指标，我国可露天开采的储量仅占7.5%，美国为，美国为32%，澳大利亚为，

10、澳大利亚为35%；我国煤矿中含瓦斯比例高，高瓦斯矿井占；我国煤矿中含瓦斯比例高，高瓦斯矿井占40%以以上。上。我国采煤以矿井开采为主，我国采煤以矿井开采为主，如山西、山东、徐州及东如山西、山东、徐州及东北地区大多数采用这一开北地区大多数采用这一开采方式，也有露天开采，采方式，也有露天开采，如内蒙古霍林河煤矿就是如内蒙古霍林河煤矿就是我国最大的露天矿区。我国最大的露天矿区。第17页，共53页，编辑于2022年，星期三2、石油、石油第18页，共53页，编辑于2022年，星期三地区地区采储量采储量(亿吨亿吨)年产量年产量(亿吨亿吨)中东中东99010.94欧洲及独联体欧洲及独联体1468.18中南美

11、中南美1463.40非洲非洲1353.98北美洲北美洲886.72亚太地区亚太地区643.76合计合计156936.98第19页，共53页，编辑于2022年，星期三在浅海、湖泊中有大量在浅海、湖泊中有大量微小水生物繁殖。当它微小水生物繁殖。当它们死亡后就沉积在湖底，们死亡后就沉积在湖底，形成一层富含有机质的形成一层富含有机质的淤泥。淤泥。随着埋藏成岩作用的随着埋藏成岩作用的进行，压力和热使有机进行，压力和热使有机体首先转化为各种不同体首先转化为各种不同的干酪根，然后在温度的干酪根，然后在温度升高的情况下，分解转升高的情况下，分解转化为石油或天然气。化为石油或天然气。石油的形成石油的形成第20页

12、，共53页，编辑于2022年，星期三第21页，共53页，编辑于2022年，星期三3 3、水力水力第22页，共53页，编辑于2022年，星期三水力发电第23页，共53页，编辑于2022年，星期三葛洲坝水力发电站葛洲坝水力发电站第24页，共53页，编辑于2022年，星期三当今世界最大的水电站当今世界最大的水电站-伊泰普水电站伊泰普水电站。位于巴拉那河流经巴。位于巴拉那河流经巴西与巴拉圭两国边境的河段。这条河水流量大，水流湍急。两国政府西与巴拉圭两国边境的河段。这条河水流量大，水流湍急。两国政府共同开发水力资源，历时共同开发水力资源，历时16年，耗资年，耗资170多亿美元，大坝全多亿美元，大坝全77

13、44米，米，196米，拦腰截断巴拉那河，形成面积米，拦腰截断巴拉那河，形成面积1350平方千米、库容平方千米、库容290亿亿立方米的人工湖。电站年发电量可达立方米的人工湖。电站年发电量可达750亿度。亿度。第25页，共53页，编辑于2022年，星期三三、我国能源现状三、我国能源现状我国的能源结构我国的能源结构第26页，共53页，编辑于2022年，星期三 我国和世界的能源消耗我国和世界的能源消耗第27页，共53页，编辑于2022年，星期三十五期间我国能源消耗情况十五期间我国能源消耗情况第28页，共53页，编辑于2022年，星期三 要满足巨大的能源需求，无外乎选择以下两种供应路线，要满足巨大的能源

14、需求，无外乎选择以下两种供应路线，一是一是“节流节流”,立足于国内资源条件，加强煤炭的清洁利用，立足于国内资源条件，加强煤炭的清洁利用，保持以煤为主的能源供应结构；二是保持以煤为主的能源供应结构；二是“开源开源”,加加大力度开发大力度开发和安全利用新能源。和安全利用新能源。我国的能源战略我国的能源战略根据国际能源机构的统计，地球上的石油、天然气、煤根据国际能源机构的统计，地球上的石油、天然气、煤供人类开采的年限，分别只有供人类开采的年限，分别只有40年、年、50年和年和240年。年。第29页，共53页，编辑于2022年，星期三太阳能太阳能核能核能沼气沼气地热地热潮汐潮汐可燃冰可燃冰第30页，共

15、53页，编辑于2022年，星期三第二节第二节核能的开发和利用核能的开发和利用 核能是通核能是通过过原子核原子核发发生反生反应应而而释释放出的巨大放出的巨大能量。能量。瑞瑞士士的的核核电电站站第31页，共53页，编辑于2022年，星期三1939年，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象年，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象哈恩哈恩费密费密一、核能的发展历程一、核能的发展历程教学录象片：核裂变第32页，共53页，编辑于2022年，星期三n获得核能的两条途径是：获得核能的两条途径是：裂变裂变 当当235U核吸收一个中子后，就会形成复合核吸收一个中子后，就会形成复合236U核，而核，而236U核是不稳定的，它

16、很快发生形变由椭球形进而变成不对称的哑核是不稳定的，它很快发生形变由椭球形进而变成不对称的哑铃形，然后发生断裂，成为两个略有大小差异的产物核，同时铃形，然后发生断裂，成为两个略有大小差异的产物核，同时放出若干个中子，下图为复合核裂变示意。放出若干个中子，下图为复合核裂变示意。一个重核在中子的轰击下分裂成高能碎片的反应叫做核裂变一个重核在中子的轰击下分裂成高能碎片的反应叫做核裂变第33页，共53页，编辑于2022年，星期三 当中子撞击铀原子核时，一个铀核吸收了一个中子可以分裂成两当中子撞击铀原子核时，一个铀核吸收了一个中子可以分裂成两个较轻的原子核，在这个过程中质量发生亏损，因而放出很大的能量，

17、个较轻的原子核，在这个过程中质量发生亏损，因而放出很大的能量，并产生两个或三个新的中子。并产生两个或三个新的中子。重重核核裂裂变变链式反应链式反应第34页，共53页，编辑于2022年，星期三聚变聚变两个轻核发生碰撞结合成重核的反应叫做核聚变两个轻核发生碰撞结合成重核的反应叫做核聚变.聚变需要聚变需要在几百万摄氏度的高温下才能发生，因此聚变又叫热核反应在几百万摄氏度的高温下才能发生，因此聚变又叫热核反应.演示:聚变第35页，共53页，编辑于2022年，星期三二、重核裂变的可控性二、重核裂变的可控性费费米米世界上第一座核反应堆世界上第一座核反应堆第36页，共53页，编辑于2022年，星期三1942

18、年，费密建立了第一个链式裂变反应堆年，费密建立了第一个链式裂变反应堆。第一个链式裂变反应堆第一个链式裂变反应堆第37页，共53页，编辑于2022年，星期三 如果对裂变的如果对裂变的链式反应不加控制，链式反应不加控制，在极短时间（约百在极短时间（约百万分之几秒）会释万分之几秒）会释放出大量核能，发放出大量核能，发生猛烈爆炸，原子生猛烈爆炸，原子弹就是根据这个原弹就是根据这个原理制成的理制成的.中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸第38页，共53页，编辑于2022年，星期三 原子弹（氢弹）的破坏力表现在三方面原子弹（氢弹）的破坏力表现在三方面：光辐射光辐射：当核弹爆炸后，最先看到的是极强的光。

19、：当核弹爆炸后，最先看到的是极强的光。这种强光可以引发近处的一切物体的燃烧，即这种强光可以引发近处的一切物体的燃烧，即使对距离很远处的人或动物也可以导致眼睛失使对距离很远处的人或动物也可以导致眼睛失明。明。中子和中子和辐射辐射：这种强粒子辐射可以立即使人和动：这种强粒子辐射可以立即使人和动物死亡，也可能使人患放射病。物死亡，也可能使人患放射病。冲击波冲击波：它可推倒建筑物、杀伤人员。：它可推倒建筑物、杀伤人员。影视资料片：影视资料片：我国第一颗原子弹我国第一颗原子弹两弹一星两弹一星第39页，共53页，编辑于2022年，星期三 为为便便于于和和平平利利用用核核能能，必必须须控控制制链链式式反反应

20、应的的速速度度，使使核核能能缓缓慢慢而而又平稳地释放出来又平稳地释放出来.为此，人们制成了一种专门装置为此，人们制成了一种专门装置核反应堆核反应堆.核反应堆能缓慢、平稳地释放核能核反应堆能缓慢、平稳地释放核能.核核反反应应堆堆通通常常采采用用热热中中子子堆堆，常常用用的的有有压压水水堆堆、重重水水堆堆、石墨堆等。石墨堆等。反反应应堆堆的的堆堆心心是是原原子子能能发发电电站站的的心心脏脏，其其中中有有燃燃料料棒棒、慢慢化化剂剂、冷却剂冷却剂和和控制棒控制棒（镉棒）。（镉棒）。通通过过镉镉棒棒的的插插入入和和拔拔出出就就可可以以控控制制反反应应堆堆的的运运行行。冷冷却却剂剂用用来来冷冷却却燃燃料料

21、棒棒，并并通通过过热热交交换换器器将将热热量量送送到到无无放放射射性性的的发发电电部部分，供发电使用。分，供发电使用。第40页，共53页，编辑于2022年，星期三 研究性重水反应堆研究性重水反应堆中国中国1980年建成的高通年建成的高通量工程试验堆堆芯量工程试验堆堆芯第41页，共53页，编辑于2022年，星期三三、核电的优势及发展概况三、核电的优势及发展概况 在在传传统统的的能能源源构构成成中中，火火力力发发电电和和水水力力发发电电都都有有其其局局限限性性。而而核核电电作作为为一一种种新新型型的的能能源源，具具有有得得天天独独厚厚的的优优越越性性。它它利利用用地地球球中中蕴蕴藏藏丰丰富富的的放

22、放射射性性同同位位素素铀铀的的裂裂变变反反应应产产生生的的巨大的能量来发电，效率既高又不污染环境。巨大的能量来发电，效率既高又不污染环境。核核电电虽虽然然造造价价较较高高，但但运运行行成成本本低低于于火火电电。核核电电站站只只需需消消耗耗很很少少的的核核燃燃料料，就就可可以以产产生生大大量量的的电电能能，每每千千瓦瓦时时电电能能的的成成本本比比火火电电站站要要低低20以以上上。核核电电站站还还可可以以大大大大减减少少燃燃料料的的运运输输量量。而而且且环环境境污污染染也也比比火火电电小小得得多多，作作为为一一种种极好的能源，将来一定会在全世界广泛推广使用。极好的能源，将来一定会在全世界广泛推广使

23、用。影视资料片：影视资料片：核能核能第42页，共53页，编辑于2022年，星期三n核电站的发展现状核电站的发展现状n1954年年，前前苏苏联联建建成成了了世世界界上上第第一一座座热热中中子子核核电电站站，而而后后被世界各国广泛推广。被世界各国广泛推广。n目目前前现现状状：世世界界上上已已经经投投入入运运行行的的热热中中子子核核电电站站已已有有428座座，遍遍布布各各大大洲洲34个个国国家家和和地地区区，总总装装机机容容量量已已达达4亿亿多多千千瓦瓦，约约占占世世界界发发电电总总量量的的1/5。美美国国占占首首位位，约约占占世世界界的的1/3，其其次次为为法法国国、日日本本、德德国国和和俄俄罗罗

24、斯斯。法法国国已已有有57座座核核电电站站在在运运行行，发发电电量量占占其其全全国国总总发发电电量量的的77%，为为世世界界之之最最。我我国国目目前前仅仅有有秦秦山山核核电电站站和和大大亚亚湾湾核核电电站站两座，装机容量仅占总装机容量的两座，装机容量仅占总装机容量的1%左右。左右。第43页，共53页，编辑于2022年，星期三秦山核电站鸟瞰秦山核电站鸟瞰第44页，共53页，编辑于2022年，星期三秦山核电站的原理示意图秦山核电站的原理示意图演示:核反应堆第45页，共53页，编辑于2022年，星期三第三节第三节可控的核聚变反应可控的核聚变反应 核裂变虽然能产生巨大的能量，但远远比不上核聚变，裂变核

25、裂变虽然能产生巨大的能量，但远远比不上核聚变，裂变堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅产生强大的辐射，伤害人体，而堆的核燃料蕴藏极为有限，不仅产生强大的辐射，伤害人体，而且遗害千年的废料也很难处理，核聚变的辐射则少得多，核聚变且遗害千年的废料也很难处理，核聚变的辐射则少得多，核聚变的燃料可以说是取之不尽，用之不竭。的燃料可以说是取之不尽，用之不竭。从聚变反应可推算，从聚变反应可推算，1克氘发生热核聚变时放出的能量为克氘发生热核聚变时放出的能量为10万千瓦时，也就是万千瓦时，也就是10万度电能。地球上共有万度电能。地球上共有175亿亿吨海水，亿亿吨海水，其中含氘其中含氘35万亿吨，如果都能用来发电，可以

26、想象足够人类用万亿吨，如果都能用来发电，可以想象足够人类用上几百亿年，再也不会有什么上几百亿年，再也不会有什么“能源危机能源危机”了。了。第46页，共53页，编辑于2022年，星期三利用核聚变制造出来的氢弹威力惊人利用核聚变制造出来的氢弹威力惊人影视资料片影视资料片：氢弹氢弹第47页，共53页，编辑于2022年，星期三中中国国制制造造的的第第一一颗颗氢氢弹弹第48页，共53页，编辑于2022年，星期三磁约束聚变磁约束聚变氢弹中释放的能量是爆炸式的，虽然在其中氢弹中释放的能量是爆炸式的，虽然在其中实现了自持热核反应，但无法用于民用能源，所实现了自持热核反应，但无法用于民用能源，所以，要用热核反应

27、作为能源，首要之事是寻找能以，要用热核反应作为能源，首要之事是寻找能实现自持的方式和条件：实现自持的方式和条件：上亿度高温上亿度高温+不导热容器。不导热容器。太阳给了我们启发太阳给了我们启发：太阳是一团进行自持热核：太阳是一团进行自持热核反应的高温等离子体，它又是缓慢地释放能量的，反应的高温等离子体，它又是缓慢地释放能量的，那么它是靠什么容器把等离子体约束在一起不致飞那么它是靠什么容器把等离子体约束在一起不致飞散的呢？它靠的是太阳极其巨大的质量所产生的巨散的呢？它靠的是太阳极其巨大的质量所产生的巨大的引力。大的引力。太阳的引力场就是太阳的高温等离子太阳的引力场就是太阳的高温等离子体的体的“容器

28、容器”。第49页，共53页，编辑于2022年，星期三 地球上不可能有这样强的引力场，但地球上不可能有这样强的引力场，但是可以利用其它的场。是可以利用其它的场。磁约束磁约束：利用强磁场约束等离子体，因为等离：利用强磁场约束等离子体，因为等离子体由带负电的电子和带正电的原子核组成，子体由带负电的电子和带正电的原子核组成，它们在磁场中受磁力作用；它们在磁场中受磁力作用；第50页，共53页，编辑于2022年，星期三 目前美国、日本、欧洲和俄罗斯等国都目前美国、日本、欧洲和俄罗斯等国都已经建成大型的磁约束装置，已经建成大型的磁约束装置，我国也于我国也于1984年建成一座中型的磁约束装置年建成一座中型的磁

29、约束装置环流环流1号号。美、英、俄三国正在合作建设一座功率。美、英、俄三国正在合作建设一座功率为为62万千瓦的国际聚变反应堆，希望使其万千瓦的国际聚变反应堆，希望使其输出能量超过输入能量，以实现聚变发电的输出能量超过输入能量，以实现聚变发电的可能性。此外，也有人在尝试研制聚变可能性。此外，也有人在尝试研制聚变裂变混合堆。裂变混合堆。估计到二十一世纪中叶，磁约估计到二十一世纪中叶，磁约束核聚变发电站会有投入使用的可能束核聚变发电站会有投入使用的可能。第51页，共53页，编辑于2022年，星期三中国环流中国环流1号号第52页，共53页，编辑于2022年，星期三自然界中的核聚变反应自然界中的核聚变反应n自自然然界界中中，太太阳阳内内部部的的温温度度高高达达摄摄氏氏1千千万万度度以以上上，在在那那里里就就进进行行着着大大规规模模的的聚聚变变反反应应.太太阳阳辐辐射射出出的的光光和和热热，正正是是由由聚聚变变反反应应释释放放的的核核能能转转化化而而来来的的.可可以以说说，地地球球上上的的人人类类每每天天都都享用着聚变释放出的能量享用着聚变释放出的能量.第53页，共53页，编辑于2022年，星期三