化石能源

物质、能量和信息。

因此，能源发展史直接影响着人类发展史。

我们人类生存和发展最具决定性的因素有三个:物质、能量和信息。

我们的世界是由物质组成的；人类的生存活动依赖于对信息的认知和反应；而维持生命和从事发展的活动，必须通过消耗能量来进行。

一切能量都来源于能源，人类离不开能源。能源是人类生存、生活和发展的主要基础。能源科技和能源利用的发展对人类社会的进步一直起着重要的作用。

能源发展的里程碑可以说，能源利用的每一次里程碑式的发展，都伴随着人类生存和社会进步的巨大飞跃。千百年来，在人类能源利用史上，大致经历了四个里程碑式的发展阶段:原始社会用火，祖先在火的照射下迎来了文明社会的曙光；18世纪蒸汽机的发明和利用极大地提高了生产力，导致了欧洲的工业革命。19世纪电能的使用极大地促进了社会经济的发展，改变了人类生活的面貌。20世纪，以核能为代表的新能源的利用，使人类进入原子的微观世界，开始利用原子内部的能量。

未来能源需求

有足够的储量满足人类生存和发展的需要，不会造成影响人类生存的环境污染问题。

未来人类社会对能源的需求，仍将取决于能源及其可持续发展。因此，我们必须清楚地了解现在地球上的能源结构和储量，开发必须开发的能源利用技术，使人类的生存得以永久维持。

而我们赖以生存的能源是取之不尽的吗？答案是:不，是。事实上，进入21世纪后，技术可以开发的能源资源将面临严重短缺危机。如今，煤炭、石油、天然气等矿物燃料资源日益枯竭，甚至无法维持几十年。因此，我们必须找到可持续的替代能源。半个世纪以来核能的和平利用，使核能成为迄今为止新能源家族中唯一现实的可以替代有限矿物燃料的大规模能源。而且，如果未来能充分利用核能，人类的能量将是无限的。

除了物质、能量和信息，人类对安全的要求也越来越重要。安全包括社会安全、健康安全和环境安全。它们与能源的关系也非常密切。现在使用的能源造成了很多环境污染问题，严重影响了人类的生存。因此，未来对能源的需求不仅是储量充足，而且是清洁能源。与其他化石能源相比，核能的和平利用充分证明了核能是清洁能源之一。

能量的定义和来源

什么是“能量”？《科技百科全书》说:“能量是一种资源，从中可以获得热、光、动力等能量”；《大英百科全书》中说:“能源是一个术语，它包括所有的燃料、流水、阳光和风，人类可以利用它以适当的转换手段提供所需的能量。”可以看出，能量是一种可以以各种形式转化的能量来源。简而言之，能源是自然界中能够为人类提供能量的物质资源。

能源

来自地球以外天体的能量(如太阳能)、地球本身所蕴含的能量(如地热能、核能)、地球与其他天体相互作用产生的能量(如潮汐)。

而能量是能量产生的源泉。

人们通常根据能源的形式和应用方法对能源进行分类。一般分为:固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能。其中，前三类统称为化石燃料或化石能源。这些已经被人类认识的能源，在一定条件下可以转化为人们需要的各种形式的能量。比如木柴和煤，加热到一定温度，可以和氧气结合，释放出大量的热能，可以直接用来取暖，也可以用来产生蒸汽驱动汽轮机，再驱动发电机，这样热能就变成机械能，再变成电能。给工厂、机构和家庭送电可以转换成机械能、光能或热能。

在我们居住的地球上，有各种各样的能源。一般来说，有三个初始来源。

太阳能/太阳能

地球

来自地球以外天体的能量(主要是太阳能)人类所需的大部分能量都直接或间接来自太阳。是各种植物通过光合作用将太阳能转化为化学能并储存在植物体内。煤、石油和天然气等化石燃料也是由埋藏在地下的古老植物和动物经过漫长的地质年代形成的。它们本质上是远古生物固定的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、洋流能也是由太阳能转化而来。

地球本身所包含的能量通常是指与地球内部热能有关的能量和与核反应有关的能量。

地球内部与热能有关的能量称为地热能。温泉和火山喷发喷出的岩浆就是地热能的表现。地球可分为三层:地壳、地幔和地核。这是一个大型热储库。地壳是地球表面的一层，一般厚度从几公里到70公里不等。地壳下面是地幔，大部分是熔融的岩浆，厚度达2900公里。火山爆发通常是由这部分岩浆引起的。地球内部是地核，地核中心温度2000度。可见地球上的地热资源也是很大的。

与核反应有关的能量，正是本书要介绍的核能。当原子核的结构发生变化时，可以释放出大量的能量，这种能量称为核能，简称核能，俗称原子能。它来源于裂变发生时储存在地壳中的铀、钚等核裂变能源，以及聚变发生时储存在海洋中的氘、氚、锂等核聚变能源。当核反应发生时，这些物质会释放能量。目前核能最大的用途是发电。此外，它还可以作为其他类型的电源和热源。

来自恒星引力的能量是指地球与月球、太阳等天体相互作用形成的能量。地球、月球和太阳之间有规律的运动，造成它们相对位置的周期性变化，它们之间的引力也随之变化，使海水产生波动，形成潮汐能。与上述两种能量相比，潮汐能的量非常小。世界上的潮汐能每年可以转化为30亿吨左右的煤炭，但实际上可以利用的只有浅海区，每年可以转化为6000万吨左右的煤炭。

u能源结构和储量

地球上有哪些可供我们利用的能源？他们能坚持多久？我们做什么呢

能源的类型

一次能源:煤、石油、核能和其他自然能源；

二次能源:人工制造的能源，如汽油、电力和蒸汽，

一次能源和二次能源按产生方式分为天然气能源(一次能源)和人工能源(二次能源)。天然气能源是指以自然形式存在且未经加工转化的能源资源，如煤炭、石油、天然气、核燃料、风能、水能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能等。人工能源是指将一次能源直接或间接转化为其他种类和形式的能源，如天然气、汽油、煤油、柴油、电力、蒸汽、热水、氢气和激光。

常规能源和新能源，已经被人类广泛使用，并在人类生活和生产中发挥了重要作用的能源，称为常规能源，通常指煤炭、石油、天然气和水电。而刚刚被人类开发利用，还需要进一步研究开发的能源资源，称为新能源。与常规能源相比，新能源在不同的历史时期和科技水平上有不同的内容。当今社会，新能源通常指核能、太阳能、风能、地热能、氢能等。

煤的时代

能源结构的变化在历史上，随着新化石资源的发现和大规模开采与应用，世界能源消费结构发生了几次变化。18世纪，煤取代了柴火，到19世纪中期，煤逐渐占了主导地位。20世纪20年代，随着石油资源的发现和石油工业的发展，世界能源结构发生了第二次变化，即从煤炭到石油和天然气。到了20世纪60年代，石油和天然气逐渐成为主导能源，动摇了煤炭的主导地位。然而，20世纪70年代以来的两次石油危机已经开始动摇石油在能源中的主导地位。与此同时，大多数化学能源的储量日益减少，随之而来的是许多环境污染问题。

然而，人类对能源的需求与日俱增。比如主要能源形式地球能源的储量估算。

煤:大约200年

石油和天然气:约50年

核能:无限。

其中之一就是耗电量逐年增加。据统计，如果人口每30年翻一番，电力需求每8年翻一番。

于是，在20世纪末，能源结构开始发生第三次转变，即从以石油为中心的能源体系向煤炭、核能等可再生能源的多元化能源结构转变。特别是随着时间的推移，核能的比重将不断增加，并将逐步取代石油和天然气，成为主要的大型能源之一。

化学能煤、石油、天然气的储量可供人类开采利用多少年？据世界能源大会统计，全球已探明可采煤炭储量总计1.598亿吨，预计还可开采200年。已探明石油可采储量合计12110亿吨，预计可开采30至40年。已探明天然气可采储量总计119万亿立方米，预计还可开采60年。必须指出，遗憾的是煤、石油等。直接燃烧产生电能和热能。且不说可能的环境污染，它们还是很好的化工原料！

水能和新能源的潜力。水能呢？我们知道水能是可以长期开发利用的。但是，对于那些大面积缺水、缺水的国家和地区，我们该怎么办呢？此外，水力发电还有一个季节性问题。这些都使得水电不可能成为世界能源结构中的唯一主力。在新能源中，太阳能取之不尽，用之不竭，但成本太高，而且就目前的技术发展来看，不可能在一代人的时间内迅速发展并得到广泛应用。其他新能源也是如此。其他能源类似于水电，规模受环境、季节、地理位置等条件限制，如风能、潮汐能、地热能等。

可裂变核素

只有三种原子容易裂变:铀-235(U235)、钚-239(Pu239)和铀-233(U233)。但天然存在的裂变元素只有铀-235，铀-238可以生成钚-239，钍-232可以生成铀-233。

易熔核反应

氘(D2)-氚(D3)反应。氘和氚是氢原子的同位素。氘是天然存在的，而氚极其稀少，所以必须人工制造(比如用锂制造)。

核能——无限能核能可分为裂变能和聚变能。目前，只有裂变能被用于和平目的。受控聚变能利用技术正在被攻克。

天然铀的成分

在天然铀中，99.3%是难熔铀-238，只有0.714%是易裂变铀-235。铀-238可以通过吸收一个中子变成可裂变的钚-239。

作为开发核裂变能源的主要原料之一，世界上已探明的铀储量约为490万吨，钍储量约为275万吨。如果用得好，可以用2400 ~ 2800年。

聚变反应主要来自氘和氚的核反应。氘可以大量来自海水，氚可以来自锂。所以聚变燃料主要是氘和锂，海水中的氘含量为0.03g/L，估计地球上的海水量约为654.38+038亿m3，因此全世界的氘储量约为40亿吨。地球上的锂储量虽然比氘少很多，但是有2000多亿吨。用它来制造氚，足以满足人类对聚变能源的需求。这些聚变燃料释放的能量比全世界释放的总能量大一千万倍。按照目前世界能源消耗水平，地球上可供原子核聚变使用的氘和氚，可供人类使用数千亿年。如果人类实现了氘氚的可控核聚变，核燃料可谓“取之不尽，用之不竭”，人类将从根本上解决能源问题，这也正是目前核科学家努力的方向。聚变能源不仅丰富，而且安全清洁。聚变产生的放射性比裂变少得多。

专家预测，核能将成为未来人类取之不尽、用之不竭的能源。

1.2脏地球和清洁核电

本节要点:回答了以下问题:现有的能源资源能维持多久？能源利用能不污染环境吗？核能真的可持续吗？

u .能源的可持续发展

需要找到一些既能保证长期充足供应又不会造成环境污染的能源。

目前人类面临的问题恰恰是:能源资源的枯竭；环境污染严重。

能源利用与环境的可持续发展

能源危机

目前世界上常规能源的储量只能维持半个世纪(如石油)，最多也能满足人类生存一两百年的需求(如煤炭)。

今天，几乎所有工业化国家都面临着两个与可持续发展密切相关的挑战:确保令人满意的长期能源供应和减少人类活动对环境的影响。能源利用和环境的可持续发展已经成为关系到人类未来生存和文明延续的重要问题。

能源供应危机当今世界人口已超过60亿，是上世纪末的两倍多，而能源消耗据统计增长了16倍以上。无论多少人谈论“节约”和“利用太阳能”或“钻更多的油井或气井”或“发现更多更大的煤田”，能源的供应都赶不上人类对能源的需求。目前世界能源消费以化石资源为主，其中中国等少数国家以煤炭为主，其他大多数国家以石油和天然气为主。按照现在的消耗量，专家预测石油和天然气最多只能用不到半个世纪，煤炭只能用一两百年。因此，无论何种常规能源结构，人类面临的能源危机都越来越严重。

冒烟的燃煤发电厂

另一方面，能源对环境的污染，尤其是化石能源的使用过程，也直接影响到地球的环境，对大气和水资源造成严重污染。大气中的五种主要污染物是氮氧化物(如NO和NO2)、二氧化硫(SO2)、各种悬浮颗粒物和一氧化碳(CO)，它们是空气污染的主要来源。

目前，世界上最严重的空气污染来自化石能源燃烧导致的大气中二氧化碳的增加。主要后果是:酸雨、温室效应、臭氧层破坏。

以及碳氢化合物(如CH4、C2H6、C2H4等。).主要有三个来源:①煤、石油等化石燃料的燃烧；②汽车排放的废气；(3)工业生产产生的废气(如各种化工厂、焦化厂)。其中，化石燃料电厂是最大的固定污染源。

表1-1世界二氧化碳排放统计(1995)

国家名称

排放量(百万吨)

人均(吨/人)

百分率

美利坚合众国

5228.52

19.88

23.7

中国

3006.77

2.51

13.6

俄罗斯

1547.89

10.44

7.0

日本

1150.94

9.17

5.2

德国

884.41

10.83

4.0

印度

803.00

0.86

3.6

不列颠，英国

564.84

9.64

2.6

中国酸雨区

(黄色部分是pH值在5.6以下的区域，属于酸雨区；蓝灰色区域是pH值低于4.5的区域，是酸雨的重灾区)

中国的大气污染属于煤烟型污染，以煤炭为主的能源结构是形成以城市为中心的大气污染的重要原因。排放到大气中的90%的SO2、70%的烟尘和85%的CO2来自燃煤。据统计，1995年中国CO2排放量居世界第二位(见表1-1)，成为名副其实的“污染大国”。

空气污染对人体和动植物的生存非常有害。一个成年人每天呼吸1万升空气，这些空气污染物会刺激呼吸道黏膜，引起上呼吸道炎症；刺激眼睛并引起结膜炎；刺激皮肤，引起皮炎；严重的还会影响人体血液中血红蛋白的氧传递功能，诱发肿瘤。空气污染对世界造成了以下危害:

酸雨问题酸雨已被公认为当前全球区域性环境污染问题之一。酸雨的主要成分硫酸和硝酸，来自于空气中的SO2和氮氧化物与大气中的水汽反应。产生的酸性溶液随雨雪降落，形成酸雨。酸雨对环境、生态和生物有着严重的影响。酸雨进入地表和河流会破坏土壤，影响农作物生长，造成生物死亡，大面积破坏生态平衡。酸雨也会腐蚀建筑物。

温室效应

温室效应化石燃料燃烧释放大量二氧化碳。由于大气中的CO2容易吸收长波辐射，太阳的短波辐射可以穿透大气进入地面，而地面温度升高释放的长波热辐射被大气中逐年增加的CO2气体吸收，于是地球就像一个“厚毯子”，处于“温室”中，这就是所谓的“温室效应”，最终导致地球变暖。温室效应会导致寒带大量冰川和地球两极融化，造成海平面上升，淹没地势低洼的沿海地区；同时也会使干旱地区更加干燥炎热，形成高温热浪，出现更多的飓风、龙卷风等自然灾害。地球将越来越不适合人类和生物的生存。

臭氧层的破坏地球周围的大气中有一层“保护膜”，即臭氧层，它位于距地面25至30公里的平流层中。这种“保护膜”极其薄，虽然它只含有不到百万分之一的臭氧，但对地球上的生命来说却非常重要。臭氧层可以吸收阳光中的紫外线，将这些波长很短、具有致命危险的辐射线转化为热能，这样只有极少量可以到达地面。

“臭氧洞”

(臭氧空洞变化图，红蓝区域为空洞，左图为2001年9月的图表，右图为2002年9月的情况)

然而现在，这个重要的臭氧层遭到了严重破坏。1979-1990年，全球臭氧总量下降了3%左右。南极附近臭氧减少尤为严重，南极“臭氧洞”已经出现。除了含氯氟烃(如含有含氯氟烃的制冷剂)的排放，化石燃料燃烧过程中释放的氮氧化物也是破坏臭氧层的重要因素。

可见，化石燃料的枯竭和日益严重的环境污染严重威胁着人类社会的可持续发展。只有真正实现能源利用的可持续发展，人类的未来才有希望，这是我们每个人都必须深刻认识到的重要问题。

我们只有一个地球。为了保护我们的“地球村”，保护人类健康，维护生态平衡，除了改进技术，尽可能采用先进技术外，还必须实现化石燃料的清洁燃烧，减少污染物排放。更重要的是，我们必须改变现有的能源结构，减少化石燃料的使用，开发和利用新能源。

核能是一种可持续的能源。