电能和核能科普讲座.docx
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电能和核能科普讲座
电能和核能科普讲座
电能和核能科普讲座(2004年9月23日在电业培训大楼为离退休电机工程学会会员讲课的讲稿)1、1kwh电能有多大?
2、1户居民用电,电力部门的基建投资要多少?
3、1㎏煤能发多少电?
4、1个流量的水,如果落差有100米,可发多少电?
5、平均建1kw的电厂要多少钱?
6、我国的水电开发前景如何?
7、世界石油资源如何?
8、为什么不建烧油的电厂?
9、我国的燃煤电厂情况如何?
10、什么叫裂变能,地球上有裂变能的资源吗?
11、什么叫聚变能,地球上有聚变能的资源吗?
12、能简单介绍一下太阳上的核聚变反应吗?
13、能否产生碳以后的元素的聚变(聚合)反应?
14、U元素是怎样来的?
15、宇宙中U元素的相对丰度怎样?
16、为什么太阳不会像氢弹那样爆炸?
17、聚变能的利用进展到何种程度?
18、什么叫核能燃料?
19、核电站的堆型是什么意思?
20、核电站的环保可靠吗?
21、核能的未来怎样?
1、1kWh电能有多大?
电能计量单位是kWh,1kWh是指消耗(或发出)有功电功率1kW而达1个小时的电能,俗称1度电。
功率1kW等于1.36马力。
而1个马力就是将75千克重物体用1秒钟时间将它提高1米。
现举一个搬运水泥的例子:
如有600袋水泥,每袋50㎏,要求搬运至5楼(12m高),用电力捲扬机提升,略去摩擦等损耗,则耗电为1kWh,电费约0.5元。
若用人工搬运,费用则要几千元。
所以,我们要珍惜电能的使用,尽量发挥它最高的效益。
上述提升水泥的工作,若要求1个小时完成,理论上可选用1kW马达;若要求在15分钟完成,则要选4kW马达,当然,用15分钟时间,人工搬运是来不及的。
如家用照明,1个60W(瓦)的灯,照明6个小时,它耗电为0.066=0.36kWh,约需人民币1角7分钱。
居民用电,现不考虑功率因素,如果工厂用电,因为有很多感应马达,即有无功功率,所以对工厂的电能计量,还要计算无功功率。
2、一户居民用电,电力部门的基建投资要多少?
一户居民用电,假设按8kW容量计算,电力部门要建电厂,8kW的平均造价约是6万元左右,还要建超高压(500kV)和高压送电网,建设110kV、10kV和0.38/0.22kV三级配电网,每一层电网有相应的线路(架空线或电缆)和变电站(或配变站),还有配套的光纤、微波线路(调度管理和继电保护用),因此为了电力的送、配,还要再投资每kW约4000元左右,这样,该户居民用电,电力部门的基建投资为9.2万元。
如果该投资要求7年内收回,并假定贷款利息(年)为5%,则该户居民用电电力部门要承担基建贷款还本的钱每月要1320元左右。
当然,居民用电并不是每家都在某一时间同时用这么大的负荷,但从上述投资分析可知,居民用电享爱了国家很大的补贴。
香港的居民电价约是0.8元左右(港币),它是随燃料价浮动。
美国的居民电价和香港差不多。
3、1㎏煤能发电多少?
2019年我国的平均供电煤耗为392g/kWh(世界先进水平是330g/kWh),换句话说,1㎏标煤发电2.55kWh。
4、1个流量的水,如果落差有100米,可发多少电?
1个流量是指1秒钟内流过1立方米水,落差100米时,其发电能力为981kW(假设效率近似为1.0),一昼夜可发电23500kWh.以三峡水电站为例,2007年满发时,假设落差为160m,流量若为13000m3/s时,设效率=0.9,则一昼夜可发电:
A=160130009.810.924=4.4108kWh。
若上网电价为0.25元/kWh,则一天的售电收入有1.1亿元多。
因此,水电站建成后,其发电效益是很高的。
当然,三峡电站的建设,主要为了防洪。
5、平均建1kw的电厂要多少钱?
如果是建设火电厂,最好是要大机组(60万kW~100万kW),因为大机组的煤耗低,同时要有除尘、脱硫、脱硝的装置,这种火电厂的每千瓦造价约5000~9000元。
具体造价与煤炭供应、冷却水和补给水、除尘、脱硫、脱硝的先进程度等有很大的关系。
如果是建水电站,约要10000~15000元/kW,具体要看水电站的建设条件、移民和淹没损失及输出电力的远近而定。
水电站还有航运、排灌、蓄洪、养殖、旅游等效益,也有一些环境问题,如鱼类回游、诱发地震、环境气候和沙石淤积、水库坍岸等问题,所以尚不能简单以平均造价来衡量水电站的效益。
若仅以水电站的防洪效益而言,某权威刊物报导1998年那一场大水,大中型水电站水库的减灾效益就达到1000亿元以上。
但也不容忽视可引发水库上游和支流的洪涝灾害。
如果建核电站,以最近芬兰的#5电站为例,年发电211108kWh,投资30亿欧元,造价折成人民币约8500元/kW,造价和大型火电厂差不多。
其它可以用来发电的能源有太阳能、风能、地热能、海洋能和生物质能等,现在还没有建设成容量达百万千瓦级的电站,主要是成本高,有些技术尚不过关。
现在各国都正在大力研究、开发它。
6、我国的水电开发前景如何?
水力发电的本质是一种太阳能的利用。
太阳将水蒸发变成云再变成水落下,通过水坝造成水位差,便可用来发电。
水力发电的能量转换是水的位能动能机械能(水轮机)电能(发电机)。
我国水力资源蕴藏量约6.8亿千瓦,可开发利用的约5亿千瓦。
2019年,我国大陆装机已达7700万kW,居世界每一。
2019年,世界上最大的常规水电站三峡电站投产。
预计在今后20~30年内,还要在金沙江、雅砻江、澜沧江、雅鲁藏布江、怒江、大渡河等大江大河上建设数十座大型水电站。
目前,我国水电建设总开发率仍然很低,列在世界80位以后。
水电资源在西部,深山老林,山陡水急,还有环境问题,开发不易,而用电负荷主要在东部。
1980~1996年共17年间,水电售电量仅占全国总售电量的16.3%,但实际利润却占64.9%。
有的省份还存在着以水电养火电的情况。
如果没有水电,全用火电代替,则每年要多排放150万吨SO2和大量的CO2、粉尘和NOX。
SO2造成酸雨,NOX造成光化学烟雾,二氧化碳和粉尘对环境也产生很大危害(温室效应和矽肺病)。
同时,煤矿还要多生产1.4亿多吨煤。
煤矿的安全生产令人担忧,煤矿的瓦斯排放,煤尘的飞扬,煤水的污染地下水,都未很好治理。
鉴于这些情况,国家将加大水电开发力度,水电事业前景美好。
但随后来开发的水电会越来越难,同时,不要几十年,水力资源告罄。
有些专家仍坚持认为建高坝来开发水电是有害的。
7、世界石油资源如何?
世界已探明的石油储量为11500亿桶,其中63%在中东,中东数国中,又以沙特、伊朗和伊拉克为最多,剩下的37%分布在:
俄罗斯(6%)、北美(5.5%)、非洲(8.9%)、拉丁美洲和中美洲(8.9%)、欧洲和中亚(3.2%),东南亚和大洋洲只有4.2%。
当今世界每天要用掉0.75亿桶石油(美国的消费占25%),按此速度,五十年后,石油将用完。
8、为什么不建烧油的电厂?
烧油来发电,主要是成本高,同时,石油中可提炼化肥、塑料、医药原料、染料等,所以柴油和汽油主要用于交通运输和移动动力。
现在世界能源市场上,天燃气比较便宜,所以我国计划在最近几年将一批燃气电厂,总容量约3千万千瓦。
我国的石油资源还比较少,预计到2010年,我国石油消费将达3.8亿吨,其中一半需要进口。
如我国的某主要油田,往往要三次注水,再将90%的水和10%的油分离,所以成本很高。
9、我国的燃煤电厂情况如何?
我国发电的能源主要靠火电,2019年统计,它占81.8%,而水电只占16.5%,核电祗有1.5%。
这一年,共烧掉5亿吨煤,约有7000万吨的CO2、SO2和NOX进入大气,成为一个沉重的环保问题。
从世界上对可用煤的评估,预计煤炭资源也只能用五十年。
10、什么叫裂变能,地球上有裂变能的资源吗?
裂变能就是将一个中子打入重元素的原子核,使它的中质比(中子数和质子数之比)发生改变而变为不稳定的原子核,结果该原子核很快就裂变为两个碎块(也有裂开为三个或四个,但很少),这两个碎块在库仑斥力下急速地分开,产生很大的能量,这就是裂变能。
可裂变的重元素有好几种,如钚(Pu)、镅(Am)、锔(Cm)、锫(Bk)等,但它们是人工制造的,自然界中只有铀元素中的235U可以裂变,而238U不会裂变,地球上的天然铀矿中的235U的含量很低,99.3%是238U。
1㎏的235U可代替2700吨标准煤。
天然铀在地球上的储量不太丰富,我国不仅贫油,而且也贫铀。
困难时期,我国为了还债,还被迫出口许多铀矿石。
按世界上探明的铀矿储量,用铀来代替煤,可用上1000年。
有些国家用钍来制造可裂变元素,钍元素的丰度和金差不多,但3势所趋,中国也不例外11、什么叫聚变能,地球上有聚变能的资源吗?
所谓原子核的聚变是指将两个轻元素的原子核,在一定的条件下捏在一起,聚合成一个较重的新元素的原子核,这个反应过程中,反应前的质量大于反应后的质量(有一个质量亏损m),不像化学反应那样,反应前后的质量不变的。
这个质量亏损便以能量方式放射出来,我们叫这个能量为物质的聚变能A,A的计算公式便是有名的爱因斯坦公式:
A=mc2(c是光速)由此可见,这个能量大得惊人。
地球上可用来产生聚变能的物质是氘(音刀),它是氢的同位素,原子核中有一个质子和一个中子。
它主要存在在海水中,其含量约十万分之三。
海水是公用的,它在地球上有100多亿亿吨,而1克的氘的聚变能可产生十万千瓦时的电能,因此,海水中的氘的聚变能可给地球上用上40多亿年(那时候,地球的寿命也要终结了)。
问题是如何开发它?
12、能简单地介绍一下太阳上的核聚变反应吗?
太阳早先是一大团氢云,质量约21030㎏。
氢原子是最简单的原子,它外层一个电子,内部原子核只有一个质子(用表示),它在万有引力作用下产生坍缩,温度自然升高,按照维里定理(Viralthoorem),对于一个开放的引力束缚系统,内部平均动能与引力势能满足关系:
T2+=0T系统的总能量E=+而束缚能B=-E,可以证得:
dB=d即束缚能力的增加(dB)等同于系统动能的增加(d).,也就是温度上升。
在1.5107K高温下,氢原子变成等离子态,电子和原子核分离,此时,两上氢原子核可发生反应:
+d+e++,反应寿命()是7109上式中,d是氘核,e+是正电子,是中微子,再进一步:
d+He+(是指射线)反应寿命4s2322232He+HeHe+2反应寿命4105上式中,He是氦的同位素核,它有2个质子,1个中子,字母He(氦)左下角数字是指质子数,它等于该元素的原子序数,左上角数字是指原子核的核子数(称原子的质量数,用字母A表示)。
上式中的反应寿命=n/R,该式中n是单位体积的核数,R是单位时间、单位体积的反应数,而是每次反应消耗的核数,是年。
+的反应寿命长达数十亿年,表明两个质子在1千5百万度高温下克服库仑斥力碰在一起而此时刚好发射出一个正电子(和中微子),结果变成一个氘核是很不容易的。
一个氘核(d)再碰上一个质子变成氦同位素He是很快的,然后两个He克服库仑壁疉而变成242He相对于+反应要快一些。
如果太阳中心温度再高一些,达1.8107K时,若有C、N、OTTT334332的参与,则4He,反应大大加快,太阳会很快老化而变成红巨2星。
反应式如下:
C+○N+NC+e++7C+○N+N+○O+ON+e++8157N+○C+He上式中,C(碳)又回复到第一式,并不消耗,只起到催化剂6的作用。
当太阳的氢烧得差不多后,它就变成一个以氦为主的红巨星,表层的能量密度和温度会降低,体积膨胀。
体积可能膨胀1000倍,此时,红巨星的太阳将地球也包括进去,地球上的人类可能要另谋其生了。
太阳的后期,氦原子在巨大的引力作用还会坍缩而温度进一步增高,当温度达2108K时,引起新一轮的热核反应,即氦的燃烧(浴火后的重生)。
1261371313613614714715815157126124ee42我们从化学上知道,氦元素很稳定,它也很完美,电子、质子、中子均两个,并且不与别的元素化合。
如果氦不再燃烧,世界因为没有更重的元素而就变得很冷清,但如果一颗恒星把氢全部烧光,则生命也不可能产生。
氦燃烧的热核反应主要是两个氦核变成硼核,此时,若刚好有第三个粒子(氦核)碰上来,就形成了碳(C)。
有了它,便有:
C+HeO++7.16MeV(库仑势疉EB=3.57MeV)6221682102010122O+HeNe++4.73MeV(库仑势疉EB=4.47MeV)Ne+HeMg++9.31MeV(库仑势疉EB=5.36MeV)这样,氧、氖、镁等元素出现了。
随着原子核的加重(较重元素的形成),这种反应也越来越困难,因为库仑势疉也越来越高。
像太阳这样的核心,氦烧完后,它不再燃烧了。
最终,它变成白矮星,其核心为由电子简并支撑的由较轻原子核(氦)和电子构成的等离子体核心。
白矮星的密度很高,是岩石的一万倍乃至几百万倍。
现在的太阳,氢占63%,氦占26%,处于壮年期,主要的反应是+反应。
正是由于这种+反应,给地球带来光和热,它稳定而耐久,是一座大功率、高效、长寿命(约70亿年)的热核反应堆,并且没有给地球造成致命的辐射污染。
13、能否产生碳以后的元素聚变(聚合)反应?
我们知道,要将两个同类的轻元素的原子核聚合在一起变成一个较重的元素的原子核,虽然有巨大的能量收益,但实现非常困难,首先要有非常高的温度,轻元素变成等离子态,原子核才有可能撞在一起,此外还要它们有足够的时间去撞,如果撞得不太正,126121264424168420244发生弹性散射,也无果而终。
碳是第6号元素,它的核中有6个质子,两个核要结合在一起,要克服12个质子之间的库仑斥力。
因此,要发生碳的聚合反应,要在比太阳大4倍以上的恒星才有可能,反应式如下:
C+CNe+He或C+CNa+更大的恒星,还可以有氧的熔合反应:
O+OSi+He或O+OP+。
其中,还有少量的(H的核)的俘获反应,如O+HeNe+和质子入射反应,如N+O+。
只要恒星足够大,俘获的反应可以持续到产生Ni,Co和Fe。
但只到A=56的元素为止。
14、U元素是怎样来的?
我们知道,U元素是自然界存在的A值最大的元素,它的密度为铜的一倍,与金差不多,但A56的原子核的产生,要走另外的路径:
中子(n表示)入射反应。
如:
Fe+nFe+26Fe+nFe+26Fe+nFe+2668267127Fe产生一次衰变,变成Co,Co+nCo+,27712812612620104212612623111681682814421681683115421681474220101585628562756265657266768266857582668276927Co产生一次衰变,变成Ni。
这是一种快过程,它可以产生A值很大的原子,如Lr.同时,也有一种慢过程,如:
10359262727FeCO,CO+nCO+,CoNi,钴(Co)以后,按上述方式,可以形成镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)A=60~65A=63~66A=64~69等元素,慢过程可以形成到A=209的铋元素。
A209的元素,要靠快过程形成。
U元素(A=233~239),是快过程形成的。
有人认为,有一颗非常大的恒星,经过漫长的燃烧过程,内部形成以Fe为主的核心,后来发生超新星爆炸(超新星爆炸会产生强大的中子流,有利于快过程进行),爆炸碎片含有U,再以某种方式,碎片与地球碰撞,这样,地球上有了U元素。
有了U元素,它可以为人类造福,也会给人类带来灾难。
15、宇宙中U元素的相对丰度怎样?
宇宙中最丰度的是氢,其次是氦,碳、氮、氧也相当高,在已知测定相对丰度的元素中,U的丰度最小。
下面是几个主要元素在宇宙中的相对丰度:
原子序数1氢(H)1012原子序数25锰(Mn)2.91052氦(He)8.5101026铁(Fe)3.31076碳(C)4.810827钴(Co)7.81047氮(N)8.510728镍(Ni)1.81068氧(O)810829铜(Cn)1.910412镁(Mg)3.910730锌(Zn)510413铝(Al)3.110679金(Au)7.414硅(Si)3.710782铅(Pb)1112605959602760276028--15磷(P)3.510590钍(Th)1.892铀(U)1.1实际上铁、镍元素(地球壳体内主要元素)以后,元素丰度有一个很大的跌落,到了第35号元素硒(Se),它的相对丰度只有2.5103,接下去溴(Br)和氪(Kr)分别只有520和1.7103,而第37号元素以后,一般只有几十到几百,有的甚至在地球上找不到,如43号和61号元素。
235U的半衰期比238U小许多,所以现在地球上的235U非常少。
16、为什么太阳不会像氢弹那样爆炸?
氢弹是使用了催化剂,它的热核反应材料可能是氘化锂(LiD)和氚化锂(LiT),氚(T)是氢的第二种同位素,它的核内有两个中子。
氚是人工制造并有放射性的元素,有了氚(音川),热核反应大大加快,基本反应式如下:
D+THe+nLi+D2He+22.4MeVLi+nHe+T32反应中是锂补充了氚的供应,使得D+T反应快速地进行。
如果太阳内出现了催化剂,或者核心温度提高而又有足够的碳元素参于下,则太阳就会发生爆炸或大大缩短它的主序星寿命。
可幸的是太阳内没有上述情况,所以人类可以放心在地球上生活。
17、聚变能的利用进展到何种程度?
42646342人类利用原子核的聚变,很可惜,被用来制造氢弹,是实现了,而将它用于发电或其它和平利用,路仍漫长。
热核反应的和平利用的主要难点一是要求温度非常高(上亿度),并且要把它维持一定时间,二是要可控,防止变成类似于氢弹爆炸,不可收拾。
所以,一种方法是用强大的电磁场(环场和角场)将等离子体用磁约束方式实现D+T的反应。
另一种方法是惯性约束装置,是精确地将四面八方的激光束、高能重离子束在一个很短的时间内同时射向一个微小的靶丸(D+T),实现聚变反应。
据称几个核大国的实验室已经能做到非常接近点火条件。
但即使实现了点火,要变成商业运行,还有许多难题,主要是降低成本和防护大量的中子对容器壁的损伤。
有人建议用下述反应:
B+HC++18.4MeV516或He+dHe++18.4MeV22但实现上述反应所要求的的温度仍要非常高才行。
如果用加速器将氘核(d)去打氘靶(D),也可产生聚变反应,但平均要打上一百万次才实现一个(d+d)的反应,得不偿失。
18、什么叫核燃料?
核燃料是核电厂用来产生裂变能的燃料。
常用的核燃料分天然铀或富集铀两种。
一般是将黄饼(含铀60%的精铀矿)溶解在硝酸中以除去杂质,再用双丁基磷酸盐萃取生成三氧化铀,用氢反应器还原生成二氧化铀,再进行氢氟酸反应,变成四氟化铀,然后在二氧化钙反应器生成液态六氟化铀,在转炉中气化而生成较纯的二氧化铀,它便可以做核燃料,习惯上称天然铀。
而有的反应堆要求的核燃料,1111234235U的浓度要提高到1.8%~5.4%,则必须用物理学的方法进行235U的富集。
常用的是气体扩散法或气体离心法。
气体离心法用得更多一些,它是利用238U与235U的微小质量差别(1.27%)而差生离心力之不同。
其它还有激光法和喷嘴法生产富集铀。
一座九十万千瓦的压水堆核电站,第一次装核燃料约需要80吨,运行一年,约消耗30吨核燃料。
核燃料也可以用金属铀、氧化钚、碳化铀等。
缺乏铀矿时,可用金属钍(Ph)。
钍(Th)打入三个中子后变成Th,再经两次衰变,变成U,U就是人工制造的可裂9092变材料。
用钍做核燃料,要用专门设计的反应堆。
19、核电站的堆型是什么意思?
核电站的堆型,现阶段只是指裂变反应堆堆型。
今后,如果聚变反应堆研究成功,则要分清聚变堆还是裂变堆。
反应堆的主要功能是将裂变反应缓慢而持续地进行下去,因此,反应堆都需要慢化剂(慢化中子)和冷却剂(将反应热带出)。
确定反应堆堆型,是根据反应堆的用途和经济性、安全性来考虑的。
常用的压水堆堆型,是以普通水(H2O)做慢化剂和冷却剂,与核反应堆热交换后出来的水(一次水),不沸腾,温度约320℃,155个大气压。
这股水在另外一个热交换器中把热量交换给第二回路水,温度便降低到280℃,再回到核反应堆中。
第二回路水,通过蒸汽发生器便可引入常规岛汽轮发电机组。
另一种是沸水堆,即第一回路水是沸腾水,它因为堆芯体积大,2309
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