书城教材教辅青少年科普知识阅读手册——能源科学知识
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第8章

世界上有比较丰富的核资源,核燃料有铀、钍氘、锂、硼等,世界上铀的储量约为417万吨。地球上可供开发的核燃料资源,可提供的能量是矿石燃料的十多万倍。核能应用作为缓和世界能源危机的一种经济有效的措施有许多的优点:

其一是核燃料具有许多优点,如体积小而能量大,核能比化学能大几百万倍;1000克铀释放的能量相当于2400吨标准煤释放的能量;一座100万千瓦的大型烧煤电站,每年需原煤300万~400万吨,运这些煤需要2760列火车,相当于每天8列火车,还要运走4000万吨灰渣。同功率的压水堆核电站,一年仅耗铀含量为3%的低浓缩铀燃料28吨;每一磅铀的成本,约为20美元,换算成1千瓦发电经费是0.001美元左右,这和目前的传统发电成本比较,便宜许多;而且,由于核燃料的运输量小,所以核电站就可建在最需要的工业区附近。

核电站的基本建设投资一般是同等火电站的1.5~2倍,不过它的核燃料费用却要比煤便宜得多,运行维修费用也比火电站少,如果掌握了核聚变反应技术,使用海水作燃料,则更是取之不尽,用之方便。

其二是污染少。火电站不断地向大气里排放二氧化硫和氧化氮等有害物质,同时煤里的少量铀、钛和镭等放射性物质,也会随着烟尘飘落到火电站的周围,污染环境。而核电站设置了层层屏障,基本上不排放污染环境的物质,就是放射性污染也比烧煤电站少得多。据统计,核电站正常运行的时候,一年给居民带来的放射性影响,还不到一次X光透视所受的剂量。

其三是安全性强。从第一座核电站建成以来,全世界投入运行的核电站达400多座,30多年来基本上是安全正常的。虽然有1979年美国三里岛压水堆核电站事故和1986年前苏联切尔诺贝利石墨沸水堆核电站事故,但这两次事故都是由于人为因素造成的。随着压水堆的进一步改进,核电站有可能会变得更加安全。

核反应堆

核反应堆是核电站的心脏,它的工作原理是这样的:原子由原子核与核外电子组成。原子核由质子与中子组成。当铀235的原子核受到外来中子轰击时,一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核,同时放出2~3个中子。这裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子核,引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的链式反应。链式反应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气,推动气轮机发电。由此可知,核反应堆最基本的组成是裂变原子核+热载体。

但是只有这两项是不能工作的。因为,高速中子会大量飞散,这就需要使中子减速增加与原子核碰撞的机会;核反应堆要依人的意愿决定工作状态,这就要有控制设施;铀及裂变产物都有强放射性,会对人造成伤害,因此必须有可靠的防护措施。综上所述,核反应堆的合理结构应该是:核燃料+慢化剂+热载体+控制设施+防护装置。

还需要说明的是,铀矿石不能直接做核燃料。铀矿石要经过精选、碾碎、酸浸、浓缩等程序,制成有一定铀含量和一定几何形状的铀棒才能参与反应堆工作。

核电站的安全

对于核电站的安全性,是人们最关心的问题。核电站反应堆内的核燃料是被封装在特殊合金的元件包壳里,不管核燃料在包壳里分裂成什么样的碎片,产生出什么样的裂变气体,都不会跑出来。如果元件包壳破裂,绝大部分裂变碎片仍将留在陶瓷体元件芯块内。跑出来的气体和少量碎片亦将限制在密闭回路内。即使同时出现回路泄漏,甚至断裂等严重事故,带放射性的液体和气体仍被限制在密闭的安全壳内。

此外,反应堆还使用一种吸收中子能力很强的材料做成控制棒来控制链式裂变反应。控制棒提升或移出堆芯,就可以启动反应堆和提高功率;反之,可降低功率和停堆。如果反应堆运行不正常或出现重大事故,控制棒会自行快速插入堆芯,使链式裂变反应停止,从而保证核电站的安全。

辐射是人们关心的另一个问题,据测定,核电站在正常运行情况下,排放的微量放射性物质,使附近居民受到的辐照剂量每年不到2×10-5C(一次X光医疗照射为7×10-4C)。而一座100万千瓦的燃煤电站,释放的放射性元素,可使附近居民受到每年5×10-5C的辐射剂量。

核燃料

可在核反应堆中通过核裂变或核聚变产生实用核能的材料。重核的裂变和轻核的聚变是获得实用铀棒核能的两种主要方式。铀235、铀233和钚239是能发生核裂变的核燃料,又称裂变核燃料。其中铀235存在于自然界,而铀233、钚239则是钍232和铀238吸收中子后分别形成的人工核素。从广义上说,钍232和铀233也是核燃料。氘和氚是能发生核聚变的核燃料,又称聚变核燃料。氘存在于自然界,氚是锂6吸收中子后形成的人工核素。核燃料在核反应堆中“燃烧”时产生的能量远大于化石燃料。1千克铀235完全裂变时产生的能量约相当于2500吨煤。

已经大量建造的核反应堆使用的是裂变核燃料铀235和钚239,很少使用铀233。至今由于还未有建成使用聚变核燃料的反应堆,因此通常说到核燃料时指的是裂变核燃料。由于核反应堆运行特性和安全上的要求,核燃料在核反应堆中“燃烧”不允许像化石燃料一样一次烧尽。为了回收和重新利用就必须进行后处理。核燃料后处理是一个复杂的化学分离纯化过程,曾经研究过各种水法过程和干法过程。目前各国普遍使用的是以磷酸三丁酯为萃取剂的萃取法过程,即所谓的普雷克斯流程。

核燃料后处理过程与一般的水法冶金过程之最大差别是它具有很强的放射性和存在发生核临界的危险。因此,必须将设备置于有厚的重混凝土防护墙的设备室中并实行远距离操作以及采取防止核临界的措施。所产生的各种放射性废物要严加管理和妥善处置以确保环境安全。实行核燃料后处理,可更充分、合理地使用已有的铀资源。

核废料

核废料泛指在核燃料生产、加工和核反应堆用过的不再需要的并具有放射性的废料。也专指核反应堆用过的乏燃料,经后处理回收钚239等可利用的核材料后,余下的不再需要的并具有放射性的废料。

核动力

核动力是利用可控核反应来获取能量,从而得到动力、热量和电能。因为核辐射问题和现在人类还只能控制核裂变,所以核能暂时未能得到大规模的利用。

利用核反应来获取能量的原理是:当裂变材料(例如铀-235)在受人为控制的条件下发生核裂变时,核能就会以热的形式被释放出来,这些热量会被用来驱动蒸汽机。蒸汽机可以直接提供动力,也可以连接发电机来产生电能。世界各国军队中的大部分潜艇及航空母舰都以核能为动力,同时,核能每年提供人类获得的所有能量中的7%,或人类获得的所有电能中的15.7%。

核废物处理

在环保和生态问题日益引起重视的今天,有关核废料的处理成为人们关注的重大课题之一。从反应堆取出的废核燃料中有由铀238转变成的钚239,这是宝贵的核燃料,因此首先要在核电站进行一定处理,再放在水池中贮存几个月,最后把它送往钚提取工厂将钚提出来。经提取后余下的为放射性废物,可以把它装罐密封后,埋在岩层中,也可以保存在地面上的贮存库内。还可以用反应堆的方法把长寿命的放射性废物转变成稳定的短寿命的同位素(正在试验中)。这些废物数量同火电厂排除的煤渣相比是微不足道的。到2000年,把全世界所有的核电站排出的废物堆在一起,建一座同游泳池一般大的贮存库,就可以全部装下。核反应堆堆芯一般可运行30年。用完以后,一般是用混凝土把它们密封起来。这样做的好处是在核电站的旧址可以再安装新的反应堆,不必迁址。

核能资源

核能资源指用于裂变反映的铀、钍和聚变反应的氘、氚及锂等核燃料资源。其中铀是最重要的天然核燃料。铀矿石大都呈氧化物状态贮存于陆地,一般品位为0.1%~0.5%。海水中虽含有大量铀,但浓度极低,目前尚难利用。世界陆地铀矿的探明储量为145.55万吨(1983年),主要分布于美国、南非、澳大利亚、加拿大和尼日利亚等国。此外海水中含有核聚变燃料约45万吨。

合成燃料

合成燃料也就是化学能,是把数种含能体能源通过化学变化合成的新燃料。合成燃料有许多种,有的是把煤、油页岩或沥青砂转变为合成石油或汽油。另一种是甲烷,从污水和淤泥中产生;酒精可以从特别栽培的作物和垃圾里提炼出来。制造合成燃料的技术出现于第二次世界大战,德国最先从煤里提炼燃料从事战争。许多能源专家认为,为了在短期内获得效益,加工煤可产生出来的合成燃料是最有前途的。

化石燃料

化石燃料亦称矿石燃料,是一种碳氢化合物或其衍生物。化石燃料所包含的天然资源有煤炭、石油和天然气。化石燃料的运用能使大规模工业发展和替代水车,并且木材或泥煤燃烧加热。当发电的时候,在燃烧化石燃料的过程中会产生能量,从而推动涡轮机产生动力。旧式的发电机会使用蒸汽作为燃料推动涡轮机。现时,很多发电站都会直接使用燃气涡轮引擎的。在踏入全球现代化的步伐中,化石燃料潜在着能源短缺的危机,特别是从石油提炼出来的汽油,是引致全球石油危机的一个原因。现时,全球正趋向发展可再生能源和核能,这可以帮助增加全球的能源所需。人类不断地燃烧化石燃料是排放温室气体二氧化碳的来源之一,是加快全球变暖的因素之一。此外,生物燃料中的二氧化碳成分是来自大气层,因此发展生物燃料可以减少在大气层上的二氧化碳,从而减低温室效应。

活生物燃料

活生物燃料通过活生物资源生产的燃料乙醇和活生物柴油,可以替代由石油制取的汽油和柴油。不同于石油和煤等燃料(统称化石燃料)分别是动物和植物经漫长的地质年代形成的化石,活生物燃料是采集活的植物生产的故名。

后石油时代

世界正在走向“后石油时代”。后石油时代是新能源、可再生能源快速成长和发展时期,也是石油替代产品的培育、成长和发育时期。

当前石油供应安全面临三大挑战,一是石油需求不断增长使现有资源产量难以满足;二是矿物能源迟早要枯竭,目前没有替代能源能担当石油的角色;三是无节制地使用石油已对环境造成巨大的压力。石油供应的瓶颈问题,已经给世界经济的可持续发展造成巨大的压力。

第十届科博会中国能源战略高层论坛“中国新能源产业峰会”,邀请国家发改委、财政部、科技部等新能源及可再生能源领域主管领导、专家、企业领袖集聚一堂,就共同关心的“可再生能源2007年发展预测、政策扶植”、“加快生物质能转化与产业化”、“太阳能、风能的产业化发展与市场开发”等热点问题深入研讨,为后石油时代中国能源产业的发展拓展新空间,助推我国新能源产业的健康快速发展。

后续能源

后续能源是一个广泛的概念,主要包括核能、可再生能源和氢能源等。从2010年开始,这些能源可能逐步地部分替代石油、煤炭、天然气等化石能源,具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景。

后续能源是指:技术上可行,经济上合理,环境和社会可以接受,能确保供应和替代常规化石能源的可持续发展能源体系。它们主要包括可再生能源(风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能等)、地热能、核能、氢能。

化工行业的节能

改变产品工艺订立新节能目标的公司日益增多。日本生产高压聚乙烯的尤尼卡公司,从拥有最先进节能技术的美国联合碳化物公司引进了应用气象法制造聚乙烯的技术。把节能最大重点放在改变产品的工艺上。三井东压化学公司和东洋工程公司则研究出比原来制法可节约20%蒸汽的尿素新工艺,并制订计划,将全部能源消费量逐年削减。住友化学工业公司也在这么做。化学工业界许多人认为:“节能是企业生死攸关的大事。”

化纤工业,特别是合成纤维,受原油及石脑油价格的影响很大。因此,相关的许多公司都开始建立改进节能体制。东洋人造丝公司已削减了大约30%的石油使用量。旭化成工业公司开始在锅炉上混烧煤炭。帝人公司则采取了与相邻工厂共用蒸汽的措施。各公司尤其注意发展能够节能的功能膜。在对食品和药品进行浓缩时,采用的都是通过煮沸使其脱水的蒸发法。因为用膜过滤使其浓缩可以大量节能,所以有些厂家已开始销售装有功能膜的设备。人们还期望使氧气增加浓度的富氧化膜能成为将来的大型商品。氧气浓度增加后可提高锅炉和发动机的燃烧效率。

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鸡西煤田

鸡西煤田为中国东北聚煤区东部的晚侏罗世煤田。它位于黑龙江省东部鸡西市及鸡东县,并伸入邻接的密山、穆棱、林口三县,面积约34平方千米。产炼焦煤。

鸡西煤田地质构造

晚侏罗世煤系在黑龙江省东部形成于广阔的近海古地理环境,经中生代末构造变动,以断块及宽缓褶皱形式部分保存于鸡西煤田。煤田基底为中、下元古界麻山群,出露于煤田外围。

煤田中部东西走向的平麻逆断层将煤田分割为南北两部分:北部为一轴向东-西的向斜构造,北翼缓、南翼陡,并被平麻逆断层切断,翼部由煤系组成,轴部为下白垩统;南部为一向南东倾斜的单斜构造,发育有轴向北东的次级向、背斜,主要由煤系及其上覆的下白垩统组成。中生代末的岩浆活动对煤田影响不大,仅在张新矿见有闪长斑岩,以岩床形式侵入部分地段的煤层。

鸡西煤田煤系

鸡西煤田的含煤地层以一套陆相地层为主,夹1~2层滨海相沉积,厚数百米至2000余米,称鸡西群。其时代归属有晚侏罗世和早白垩世两种意见。鸡西群可分三组,自下而上为:

(1)滴道组:由砾岩、砂岩、泥岩、炭质泥岩组成,夹薄煤数层,局部地区有安山岩和块集岩,全组厚0~400米。

(2)城子河组:由砾岩、砂岩、泥岩、凝灰岩及煤层组成,全组厚70~1100米。

(3)穆棱组:由砾岩、砂岩、泥岩、煤层组成,含多层凝灰岩及凝灰质岩层,全组厚150~900米。