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能源与社会第 5讲
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目录
1 常见能源与有效清洁利用
2 清洁能源与可持续发展
3 核反应的机理
4 核能的风险利弊
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常见能源及其有效与清洁利用
能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。
能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）之一。
能源是我们赖以生存的重要物质基础。
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随着社会的发展，能源供需之间将会出现越来越尖锐的矛盾。因此，
如何节约能源，研究和发展利用新能源，就引起了世界范围内极大的关注。
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一,世界能源的结构
1.能源的分类一次能源 二次能源常规能源燃料能源 煤炭、石油、天然气、生物质能煤气、焦碳、成品燃油、液化气、
酒精非燃料能源 水能 电力、蒸汽、热水新能源燃料能源 核能 人工沼气、氢能非燃料能源 太阳能、地热、风能、海洋能 激光 化学电源利用状况 使用 性质形成条件
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2 世界能源的结构和消耗
1950 1960 1970 1980 1990 2010
10
20
30
40
50
60
能源结构比例(%
)
年代世界消耗的一次能源结构煤炭石油天然气水电及其它趋势（比例）：
石油和天然气升高；
煤炭下降；
核电上升。
7
3 能源消耗前六名的国家美国 中国 俄罗斯 日本 德国 印度
5
10
15
20
25
30
能源结构比例(
占世界%)
国家煤炭石油天然气核能水电
25.4 10.4
7.2
6.0
4.1
2.9
世界六国消耗的一次能源比例及总比例（占世界）
8
二,煤炭与洁煤技术我国的能源结构中，煤炭占据重要地位：占总能量的 70%以上。而且我国是世界上煤炭储量最大的国家，因此，
如何高效、科学、清洁地利用煤炭资源是我国能源科学和研究中的重要课题。
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煤炭的成分与热值煤炭的主要成分：
碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。
煤炭的热值：
单位质量或体积的燃料完全燃烧放出的热量。
标准煤的热值为 29.3MJ·kg-1。
无烟煤,低硫，热值高，最受欢迎的品种
烟煤,高硫，高热值，燃烧环境污染；
褐煤,储量大，含硫量低，但热值低 。
煤炭的分类：
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我国煤炭的特点
（ 1）我国煤炭中含硫量较高，煤炭中的硫在燃烧时生成二氧化硫。会引起对环境大气的污染。
（ 2）煤的燃烧反应速率慢，利用效率低，
不适应多数 运输业 做动力源。
从资源，经济与环境综合考虑，除了改善 煤炭的开采与燃烧技术外，适宜在煤产地搞 热电联产,提高煤炭转为电能的比重。
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石油又叫原油。世界原油储量最大的地区是 中东 。
我国的原油产地在 东北、西北和山东 （黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田） 。
三,石油
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石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环烷烃、芳香烃和少量含氧、
含硫的有机物。石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到 石油气,汽油,
煤油、柴油、润滑油和沥青 等产品。
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汽油
为 石油加工产品中最重要的燃料，汽油中最有代表性的组分是辛烷。汽油的热值折合成辛烷为 47.7 MJ?kg-1。
汽油的 辛烷值 在 55~72之间。在每升汽油中加入 0.6克“铅”（其中含 60%的四乙基铅和 40%的二溴乙烷）可将辛烷值提高到 79~88。而城市大气中的铅只要来自汽车尾气。
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我国自 2000年 7月 1日起禁止使用含铅汽油，而改用无铅汽油。即用 甲基叔丁基醚 代替四乙基铅作为汽油的添加剂以提高辛烷值。
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煤气和液化气
煤气和液化气是现代城市居民最重要的两大民用燃料。
城市煤气的主要可燃成分为 H2 (50%),
CO(15%),CH4 (15%)。我国规定城市煤气的热值不低于 15.9MJ?m-3,煤气在出厂检验时可通过增加 H2和 CH4 来调节热值。
煤气通过四通八达的煤气管道送至千家万户。降低煤气中有毒气体 CO的含量，是未来煤气发展的努力方向。
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液化气
液化气的全称是“石油液化气”，它来源于石油，一种是采油时的气体产品叫油田气，一种是炼油厂的气体产品叫炼厂气。
其主要成分是 丙烷和丁烷,将其加压成液体装进钢瓶。
与煤气相比，液化气有两大优点：一是无毒，二是热值大（比同体积煤气高好几倍）。且省去了铺设管道的成本。
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近年来，国内一些大中城市多使用石油液化气为动力的汽车（称为“绿色交通”），液化气不但热值高于汽油，且基本上不产生什么有害气体和黑烟，目前，
我国正在加快绿色交通的进程。
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四,天然气天然气是一种蕴藏在地层内的可燃性气体，是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷,常与石油伴生。其热值约为
55.6MJ?kg-1。我国天然气的储量约为
2.4× 1013 立方米，居世界第二位。
天然气的优点：
可直接应用
易于管道输送
污染少
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五,生物质能生物质能 是绿色植物通过光合作用，
将太阳能转为化学能贮存在生物体内的能量。生物质发酵制取 沼气 是一种最合理有效的生物质能的转换方式。
1973年世界石油危机后，各国兴起了开发和利用生物质能的热潮。我国广州已引进使城市生活垃圾快速转变为无污染燃油的生产装臵。
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植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产生的气体称为 沼气 。
沼气约含 60%的甲烷，其余为二氧化碳和 少量的 CO,H2,H2S等。一般用人畜粪便、杂草、固体废弃物等制取沼气。
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六,可燃冰 — 未来的新能源天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明结晶，外形似冰，用火柴一点就着，故称“可燃冰”。
CH4·xH2O (s)。
形成条件：低温高压如 0℃,76 MPa。
储量：数据相差较大。总量相当于 161万亿吨煤，
可用 100万年；是地球上煤、石油和天然气能量总和的 2~3倍。
分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海、
南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的一半。
开采难，储量丰富。
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5.2.清洁能源与可持续发展
1992年，联合国环境与发展大会上提出了社会、经济、人口、资源和环境协调发展的口号。其中 能源 作为最紧缺的资源对人类社会的 可持续发展 起着关键的作用。
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我国能源结构不合理，优质能源比重太小。例如我国天然气消费约为世界平均水平的 1/10，石油为 1/3，而煤炭消费占一次能源的 76%左右，核能才刚起步。
必须合理开发及进一步开发新能源，才能实现可持续发展。最有希望的清洁能源是 氢能、太阳能以及核能 。
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一,氢能氢能是一种理想的清洁二次能源。
氢能的优点
热值高，其数值为 142.9MJ?kg-1。
燃烧反应速率快，功率高
原料是水，取之不尽
产物是水，不污染环境
用氢作能源目前还存在一些问题，主要是,经济的制备方法,安全高效的储运方法 和有效地利用 。
△ rHm?＝ -286kJ.mol-1
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氢气的制取
太阳能光解
电解作为氯碱工业的副产品，是目前工业氢气的制备方法。
2NaCl + 2H2O Cl2 + H2 + 2NaOH电解用电解的方法大规模制取用作能源的氢气从经济上考虑是不可行的。
最理想的制取氢气的方法是用太阳能分解水,核心是寻找适合紫外光分解水的催化剂,21世纪可能会有重大突破。
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2 氢气的储运氢气的密度小，不利于贮存。如在 15MPa的压力下,40升钢瓶只能装 0.5Kg氢气。若将氢气液化，需耗费很大能量，且容器需绝热，
不很安全。但也已有用于大量贮氢。（ 美国宇航计划中液氢广泛用于土星五号飞船及其他火箭上 ）。因此氢气的储存和运输是一个比较困难的问题。寻找更有效的储氢方法是氢能成功利用的重要课题，目前用过渡金属化合物储氢。
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合金贮氢法原理,氢可以与某些合金在较高的压力下生成化合物，这些化合物在加热的条件下可以释放出氢气。如镧镍合金：
LaNi5 + 3H2 LaNi5H6300kPa加热开发研究贮氢合金材料是当今材料科学领域的热门分支。我国科学家王启东教授开创性的利用价廉的富镧混合稀土镍合金 （ MINi5） 进行储氢，其比起 LaNi5 贮氢量更大，并可以分离和纯化氢，具有非常广泛的应用前景。
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二,太阳能
e2HeH4 014211
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的 天然核聚变能。
18 gkJ100.6 E
太阳辐射能仅有 22亿分之一到达地球，其中约 50%又要被大气层反射和吸收，约 50%
到达地面，估计每年 5× 1021KJ能量到达地面。只要能利用它的万分之一，就能满足目前全世界对能源的需求。太阳能的利用不会引起环境污染，不会破坏自然生态。因此是人类最可靠、最有前景的能源形式 。
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太阳能的利用方法是将太阳能转换为更方便使用的能量形式，主要有以下三种：
转换为热能
转换为电能
转换为化学能图 1.10 太阳能电池
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1 转换为热能太阳能热水器是目前广泛利用太阳能最典型的一个例子。其原理就是将太阳能转换为热能，
是目前直接利用太阳能的最主要方式。
将光能转换为热能的关键是吸收材料，一般选用黑色、表面粗糙的材料以减少反射，增加对光子的有效吸收。
太阳光能的缺点：
1、能量密度低，因此设备的表面积必须很大。
2、对天气的依赖性强。
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2 转换为电能光电池 是人们最感兴趣的将光能转换为电能的一种设备。当光照射到一些半导体材料上时，半导体材料中的价电子就可以吸收光子而跃迁到导带并产生电动势。
光电池在收音机、计算器、汽车、飞机、
人造卫星等航天器的仪表等方面已经有广泛的应用。
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3 转换为化学能另外，植物能够从空气中的二氧化碳和根部吸收水，利用太阳能进行 光合作用合成碳水化合物而以化学能的形式储存能量。
太阳能光解制氢 是 近几年的热门研究课题。
这是将太阳能转换为化学能的一种最有效的方法。
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三,核能的来源及风险利弊核能的产生主要有两种方式,核裂变和核聚变。 释放的能量用质能方程计算：
2mcE
Ⅰ,核燃料和核能的来源
1,核裂变反应
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该反应损失质量 Δm= 0.2118g·mol-1，能量变化为：
110
21812
m o lkJ10904.1
)sm103()m o lg2 1 1 8.0(
mcE
此能量相当于 634.5吨标准煤完全燃烧所释放的能量。
在中子的轰击作用下，较重原子核 分裂 成轻原子核的反应称为 核裂变反应 。
n3Kr BanU 1091361425610235 92
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核裂变反应中有中子生成，故核裂变反应是以链式反应的形式进行的。 由于每次裂变所放出的第二代中子是能量较大的快中子，这种中子引发裂变反应的概率仅为慢中子的 1/500，因此，必需要用慢化剂 把它慢化到 慢中子（又称热中子）,以引发链式反应。常用的慢化剂是水、重水和石墨。
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热中子反应堆
核裂变反应产生的中子数多于消耗的中子数，但产生的中子会被核裂变物质和反应堆内构件吸收一部分，还有一部分中子将逃逸到堆外。
如果幸存中子数平均不到 1，链式反应则越来越弱，称为,收敛” ；如果幸存中子数平均大于 1，则链式反应会越来越强，
称为,发散”,最后可能到达无法控制的地步，原子弹爆炸即是此原理。所以必须对中子数进行严格控制。
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我们希望幸存的中子数恰好为 1，这样可让链式反应有控制的经久不息的进行下去。
驾驭链式反应可通过,控制棒” 实现。
控制棒可用中子吸收截面很大，但本身又不发生裂变的材料如镉、硼制成，这种核反应堆称为 热中子反应堆（慢堆）。
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快 中子增值堆
天然铀包含三种同位素：铀 -234
（ 0.0055%），铀 -235（ 0.72%），
铀 -238（ 99.2745%）
而铀 -238不能作为核裂变原料，如果仅用铀 -235做核燃料，其资源就很少。现代技术开创了将铀 -238转变为钚 -239的技术：
e2P u nU 01-2 3 994102 3 892
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钚 -239能够进行核裂变反应。也就是说，在反应堆里每个铀 -235裂变放出的中子，除维持裂变反应外，还有少量中子可以用来使难裂变的铀 -238转为易裂变的钚 -239，这种反应堆称为 快中子增值堆（快堆）。
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快堆在消耗裂变燃料以产生核能的同时，还能生成相当于消耗量的 1.2~1.6
倍的裂变燃料，这样，就可以把反应堆中积压的铀 -238充分利用。所以，
铀 -235,铀 -238,钚 -239统称为核燃料。
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贫铀炸弹
贫铀亦称贫化铀，是铀 -235燃烧后的核废料，其主要核素成分为铀 -238 。铀 -238是 a
衰变放射性核素，半衰期 4.49 x 109年。
70年代，美国首先发现：铀 -238作为金属坚韧度高，穿透力强，因此用其制成的贫铀炸弹可穿透坦克和装甲车。并且在爆炸同时释放出有放射性的“铀尘”，对人体造成长期的危害。美国在 1991年海湾战争中，首先使用了这种贫铀炸弹。以美国为首的北约对南联盟轰炸中，又使用了这种武器。
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贫铀炸弹
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经过海湾战争灾难的伊拉克居民，在战后又继续面对癌症的威胁。海湾战争后不久的 90年代以来，在伊拉克南部儿童死于淋巴癌、白血病等癌症的人数与 1989年相比成倍甚至成几倍增长。其原因被认为与海湾战争期间美国使用贫铀武器所告成的放射性污染有关。病理学家们在很多当地病人的尿样中以现了这种放射性元素。有关研究人员相信，贫铀炸弹严重损害了波斯湾地区人民的健康，估计至少有两万余名当地人因此身患致命的癌症。
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受美军贫铀炸弹辐射致残的孩子
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受美军贫铀炸弹辐射致残的孩子
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图 1.11 氢弹爆炸
18 gkJ100.6 E
由于氢原子质量小，如折合成每 g物质反应的热量则氢聚变所释放是能量是相同质量的铀裂变能量的 3倍 多。
2,核聚变反应
nHeHH 10423121
18 gkJ100.6E
高温 作用下，轻原子核 合并 成较重原子核的反应。
释放的能量同样用质能方程计算：
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受控核聚变
核聚变反应又称热核反应。氢弹爆炸即是热核反应。
热核反应的能量虽然很大，但是它的能量是一次放出来的，想要完全集中利用这些能量很不容易。所以，如果能够控制核聚变反应，使能量逐步释放出来，那么，
就可以利用核聚变能来发电，即受控核聚变反应。
,点火”待解决的问题,1）加热
2）约束
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Ⅱ,核电的优势与风险
1.发展核能是必由之路由其优势决定：高密度、清洁、经济的能源。
（ 1） 核能是地球上储量最丰富的高密度能源。
（ 2）核电是较清洁的能源，有利于保护环境。核电厂周围居民所受剂量每年大约只相当于一次 X射线照射的剂量，是毫无危险的。
（ 3）核电的经济性优于火电，虽然核电厂建造费较高，但 燃料费 则比火电厂低得多。总的算来，核电厂的发电成本要比火电厂低 10%~15%。
（ 4） 以核燃料代替煤和石油，有利于资源的合理利用。
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核电的发展趋势
(1) 热堆的应用。 应用广泛但燃料利用率很低；应使其完善、智能化，今后技术改进的重点是提高其固有的安全性和抵抗严重事故的能力。
(2) 快堆的应用。 核燃料利用充分，但工艺复杂，成本较高。加快研究和开发。
(3)可控热聚变堆 。处于基础研究阶段，
前景诱人。核聚变发电有望在本世纪二三十年代获得成功。
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担心是否会发生原子弹爆炸的危险，
或发生核泄漏事故 。
首先，反应堆内有中子控制棒，还有控制有裂变速率的减速剂，故反应堆在任何情况下都不会发生核爆炸，这已被实践证明。
2,反应堆的风险
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为了防止核裂变产生的大量放射性物质外逸，核电站设置的三道安全屏障：燃料包壳
（把核燃料裂变产生的放射性物质密封）、
压力壳（燃料壳如果损坏，放射性物质泄露到水中，但仍然在一个密封的回路系统中，
这一回路称为反应堆冷却剂压力边界）,安全壳 （内衬厚钢板、壁厚一米的钢筋混凝土建筑物，将一切可能的事故都限制并消灭在安全壳内）。
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自从世界上有核电站以来至今 40余年，已有 400多座核电站在运行，造成严重环境污染和人员伤亡事故的，仅 1986年的切尔诺贝利核电站。
这次事故有其独特的原因：主要是切尔诺贝利核电站采用的世界上仅前苏联独有的石墨沸水堆，其设计上有严重缺陷，加上它又没有设置封闭放射性物质的安全壳，一旦反应堆损坏，放射性物质即释放到环境，加上严重违反操作规程，以致产生严重的后果。
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1986年 4月 26日，位于乌克兰的原苏联切尔诺贝利核电站 4号反应堆发生爆炸，造成 30人当场死亡,8吨多强辐射物泄漏。核电站周围 6万多平方公里土地受到直接污染,320多万人受到 核辐射侵害。
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这是事故发生后采取紧急措施的资料照片
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用钢筋混凝土封起来的曾经发生核泄露的切尔诺贝利核电站 4号机组。
56
玛林娜是自愿回到曾经遭受核污染的切尔诺贝利地区生活的老人之一。乌克兰政府规定“禁入区”内不准人居住，但一些老人想在故土安度晚年，
便偷偷返回居住地。
他们在“禁入区”内种菜、捕鱼和饲养家畜，但产品只能供自己食用。目前“禁入区”内生活着约 600名老人。
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俄罗斯卫生部门官员 24日说，超过 150万俄罗斯人迄今还住在受切尔诺贝利核电站事故污染的土地上，其中有人还在吃受放射性污染的食物 。
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当今世界上绝大多数核反应堆（包括我国的秦山核电站和大亚湾核电站的压水反应堆）,都设计为可根据,负反应性温度系数,进行安全保护的功能，即温度升高，反应性减弱，温度超过某限度，核反应即自行停止。所以切尔诺贝利式的事故绝不会出现在压水型反应堆的 。
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秦山核电站二期工程施工现场鸟 瞰 一 期
60
放射性废气 由活性炭吸附和过滤后由烟囱高空排放；
放射性废液 经蒸发浓缩、离子交换后，经监测合格后可向江、河、海排放；
出堆的燃料元件可首先放在反应堆旁水池内半年以上，让大部分放射性同位素衰变掉，
然后在防护条件好的后处理厂进行化学提取未烧尽的铀、钚等有用物质，废物装桶深埋。
3,核反应堆废料的处理
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4.辐射对人体的危害
辐射的 高能粒子流 会破坏生命必需的酶和激素及细胞生存必不可少的染色体 。
根据不同的受辐射剂量，可造成造血系统、
消化系统及中枢神经系统的损害。可引起恶性淋巴瘤、骨髓瘤、白血病及其他癌症。
多数病例中的癌的发生滞后于暴露在辐射中的诱发期 5~20年间，此外，辐射如果穿越生殖细胞，还可能产生使后代受害的遗传效应。
62
切尔诺贝利地区的畸形儿大大增加
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在医院接受治疗的孩子
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受伤的小动物
根据有关报告，
在那些强迫迁移的无人区内，土壤的放射指数仍然比正常区域内高出 10到 100倍。
但随着放射物质的衰减，当地的放射污染还是下降了不少。
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美军越战时投放化学武器遗留下的后果
据美国广播公司报道，美国在越战中将包括“脱叶剂橙剂” (Agent Orange)在内的化学武器广泛用于军事目的，导致越南出现很多残疾儿童，形成所谓的橙剂综合症。越战结束三十年后，原美军空军基地岘港仍然遗留威胁健康的高浓度污染，落叶剂橙剂 (AgentOrange)的污染问题成为环境研究课题。
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胡志明市托杜医院的“和平村庄”中心，据医院员工介绍，
这些孩子都有严重的脊柱裂，这是一种脊柱愈合不完整的先天性缺陷，以致部分脑膜及脊髓突起，经常会导致脑积水及其他神经功能紊乱。医生怀疑这是他们的父母接触过多橙剂中的戴奥辛毒素导致的。
67
2007年 5月 25日，左边 13岁的男孩出生在隆安省，患有 X连锁鳞癣疾病，
这是一种干皮病，是遗传性的皮肤病，表现为皮肤干燥、变厚并出现鳞状屑片。他在越南胡志明市托杜医院的“和平村庄”中心被绑在床上，以保护他不会自我伤害。右边是一位 6岁男孩。据医院员工介绍，
这 2个孩子的症状都可能是他们的父母接触橙剂中的戴奥辛毒素而导致的。
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越南胡志明市托杜医院的“和平村庄”中心，靠墙边的 9
岁男孩被另一位男孩拥抱着。这 2位男孩身体都天生有严重的残疾，患有典型的脊柱裂，医院官员怀疑这可能是他们的父母接触橙剂中的戴奥辛毒素而导致的。
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这位在越南平定出生的 5岁女孩天生就没有眼睛，越南胡志明市托杜医院的“和平村庄”中心的一位护士给她喂饭。医院领导怀疑橙剂中的戴奥辛毒素影响了胎儿的正常发育，阻止了激素正常指导细胞发育成眼睛。
70
论文要求
一,要求
1,凡学习本课程的同学，均需在学习期间完成一篇小论文。论文题目自拟。鼓励提出你自己的观点、意见、建议或学习某一章的心得体会。
2,论文要求字数在 1500~4000之间，并参阅不少于三篇（本）参考资料，并按一定格式列于论文后面。
3,第十六周课堂交论文。
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二、供参考的论文题目
1,对改善我国（或全球）大气质量的意见和建议。
2,试论我国进行汽车尾气监控的必要性和紧迫性
3,从吸烟有害健康，谈在青少年中开展禁烟的必要性
4,试论在防治全球性大气污染中，发达国家和发展中国家的责任问题
5,试论保护臭氧层的全球对策
6,防止酸雨威胁
7,节水减污，势在必行
8,环境保护与中国的可持续发展
9,中国能源政策之我见
72
10,能源开发与可持续发展战略
11,21世纪的能源
12,论发展沼气对解决农村能源和环境保护的意义
13,试论能源、人口、粮食和社会进步与化学的关系
14,合理营养，增强体质 —— 从改变偏食习惯谈起
15,谈平衡膳食的体会
16,论室内装修污染的防治
17,我对化学是“一门满足社会需要的中心科学”的体会
18,核能的风险利弊
能源与社会第 5讲
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目录
1 常见能源与有效清洁利用
2 清洁能源与可持续发展
3 核反应的机理
4 核能的风险利弊
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常见能源及其有效与清洁利用
能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。
能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）之一。
能源是我们赖以生存的重要物质基础。
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随着社会的发展，能源供需之间将会出现越来越尖锐的矛盾。因此，
如何节约能源，研究和发展利用新能源，就引起了世界范围内极大的关注。
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一,世界能源的结构
1.能源的分类一次能源 二次能源常规能源燃料能源 煤炭、石油、天然气、生物质能煤气、焦碳、成品燃油、液化气、
酒精非燃料能源 水能 电力、蒸汽、热水新能源燃料能源 核能 人工沼气、氢能非燃料能源 太阳能、地热、风能、海洋能 激光 化学电源利用状况 使用 性质形成条件
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2 世界能源的结构和消耗
1950 1960 1970 1980 1990 2010
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20
30
40
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能源结构比例(%
)
年代世界消耗的一次能源结构煤炭石油天然气水电及其它趋势（比例）：
石油和天然气升高；
煤炭下降；
核电上升。
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3 能源消耗前六名的国家美国 中国 俄罗斯 日本 德国 印度
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30
能源结构比例(
占世界%)
国家煤炭石油天然气核能水电
25.4 10.4
7.2
6.0
4.1
2.9
世界六国消耗的一次能源比例及总比例（占世界）
8
二,煤炭与洁煤技术我国的能源结构中，煤炭占据重要地位：占总能量的 70%以上。而且我国是世界上煤炭储量最大的国家，因此，
如何高效、科学、清洁地利用煤炭资源是我国能源科学和研究中的重要课题。
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煤炭的成分与热值煤炭的主要成分：
碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。
煤炭的热值：
单位质量或体积的燃料完全燃烧放出的热量。
标准煤的热值为 29.3MJ·kg-1。
无烟煤,低硫，热值高，最受欢迎的品种
烟煤,高硫，高热值，燃烧环境污染；
褐煤,储量大，含硫量低，但热值低 。
煤炭的分类：
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我国煤炭的特点
（ 1）我国煤炭中含硫量较高，煤炭中的硫在燃烧时生成二氧化硫。会引起对环境大气的污染。
（ 2）煤的燃烧反应速率慢，利用效率低，
不适应多数 运输业 做动力源。
从资源，经济与环境综合考虑，除了改善 煤炭的开采与燃烧技术外，适宜在煤产地搞 热电联产,提高煤炭转为电能的比重。
11
石油又叫原油。世界原油储量最大的地区是 中东 。
我国的原油产地在 东北、西北和山东 （黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田） 。
三,石油
12
石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环烷烃、芳香烃和少量含氧、
含硫的有机物。石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到 石油气,汽油,
煤油、柴油、润滑油和沥青 等产品。
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汽油
为 石油加工产品中最重要的燃料，汽油中最有代表性的组分是辛烷。汽油的热值折合成辛烷为 47.7 MJ?kg-1。
汽油的 辛烷值 在 55~72之间。在每升汽油中加入 0.6克“铅”（其中含 60%的四乙基铅和 40%的二溴乙烷）可将辛烷值提高到 79~88。而城市大气中的铅只要来自汽车尾气。
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我国自 2000年 7月 1日起禁止使用含铅汽油，而改用无铅汽油。即用 甲基叔丁基醚 代替四乙基铅作为汽油的添加剂以提高辛烷值。
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煤气和液化气
煤气和液化气是现代城市居民最重要的两大民用燃料。
城市煤气的主要可燃成分为 H2 (50%),
CO(15%),CH4 (15%)。我国规定城市煤气的热值不低于 15.9MJ?m-3,煤气在出厂检验时可通过增加 H2和 CH4 来调节热值。
煤气通过四通八达的煤气管道送至千家万户。降低煤气中有毒气体 CO的含量，是未来煤气发展的努力方向。
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液化气
液化气的全称是“石油液化气”，它来源于石油，一种是采油时的气体产品叫油田气，一种是炼油厂的气体产品叫炼厂气。
其主要成分是 丙烷和丁烷,将其加压成液体装进钢瓶。
与煤气相比，液化气有两大优点：一是无毒，二是热值大（比同体积煤气高好几倍）。且省去了铺设管道的成本。
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近年来，国内一些大中城市多使用石油液化气为动力的汽车（称为“绿色交通”），液化气不但热值高于汽油，且基本上不产生什么有害气体和黑烟，目前，
我国正在加快绿色交通的进程。
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四,天然气天然气是一种蕴藏在地层内的可燃性气体，是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷,常与石油伴生。其热值约为
55.6MJ?kg-1。我国天然气的储量约为
2.4× 1013 立方米，居世界第二位。
天然气的优点：
可直接应用
易于管道输送
污染少
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五,生物质能生物质能 是绿色植物通过光合作用，
将太阳能转为化学能贮存在生物体内的能量。生物质发酵制取 沼气 是一种最合理有效的生物质能的转换方式。
1973年世界石油危机后，各国兴起了开发和利用生物质能的热潮。我国广州已引进使城市生活垃圾快速转变为无污染燃油的生产装臵。
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植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产生的气体称为 沼气 。
沼气约含 60%的甲烷，其余为二氧化碳和 少量的 CO,H2,H2S等。一般用人畜粪便、杂草、固体废弃物等制取沼气。
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六,可燃冰 — 未来的新能源天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明结晶，外形似冰，用火柴一点就着，故称“可燃冰”。
CH4·xH2O (s)。
形成条件：低温高压如 0℃,76 MPa。
储量：数据相差较大。总量相当于 161万亿吨煤，
可用 100万年；是地球上煤、石油和天然气能量总和的 2~3倍。
分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海、
南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的一半。
开采难，储量丰富。
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5.2.清洁能源与可持续发展
1992年，联合国环境与发展大会上提出了社会、经济、人口、资源和环境协调发展的口号。其中 能源 作为最紧缺的资源对人类社会的 可持续发展 起着关键的作用。
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我国能源结构不合理，优质能源比重太小。例如我国天然气消费约为世界平均水平的 1/10，石油为 1/3，而煤炭消费占一次能源的 76%左右，核能才刚起步。
必须合理开发及进一步开发新能源，才能实现可持续发展。最有希望的清洁能源是 氢能、太阳能以及核能 。
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一,氢能氢能是一种理想的清洁二次能源。
氢能的优点
热值高，其数值为 142.9MJ?kg-1。
燃烧反应速率快，功率高
原料是水，取之不尽
产物是水，不污染环境
用氢作能源目前还存在一些问题，主要是,经济的制备方法,安全高效的储运方法 和有效地利用 。
△ rHm?＝ -286kJ.mol-1
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氢气的制取
太阳能光解
电解作为氯碱工业的副产品，是目前工业氢气的制备方法。
2NaCl + 2H2O Cl2 + H2 + 2NaOH电解用电解的方法大规模制取用作能源的氢气从经济上考虑是不可行的。
最理想的制取氢气的方法是用太阳能分解水,核心是寻找适合紫外光分解水的催化剂,21世纪可能会有重大突破。
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2 氢气的储运氢气的密度小，不利于贮存。如在 15MPa的压力下,40升钢瓶只能装 0.5Kg氢气。若将氢气液化，需耗费很大能量，且容器需绝热，
不很安全。但也已有用于大量贮氢。（ 美国宇航计划中液氢广泛用于土星五号飞船及其他火箭上 ）。因此氢气的储存和运输是一个比较困难的问题。寻找更有效的储氢方法是氢能成功利用的重要课题，目前用过渡金属化合物储氢。
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合金贮氢法原理,氢可以与某些合金在较高的压力下生成化合物，这些化合物在加热的条件下可以释放出氢气。如镧镍合金：
LaNi5 + 3H2 LaNi5H6300kPa加热开发研究贮氢合金材料是当今材料科学领域的热门分支。我国科学家王启东教授开创性的利用价廉的富镧混合稀土镍合金 （ MINi5） 进行储氢，其比起 LaNi5 贮氢量更大，并可以分离和纯化氢，具有非常广泛的应用前景。
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二,太阳能
e2HeH4 014211
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的 天然核聚变能。
18 gkJ100.6 E
太阳辐射能仅有 22亿分之一到达地球，其中约 50%又要被大气层反射和吸收，约 50%
到达地面，估计每年 5× 1021KJ能量到达地面。只要能利用它的万分之一，就能满足目前全世界对能源的需求。太阳能的利用不会引起环境污染，不会破坏自然生态。因此是人类最可靠、最有前景的能源形式 。
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太阳能的利用方法是将太阳能转换为更方便使用的能量形式，主要有以下三种：
转换为热能
转换为电能
转换为化学能图 1.10 太阳能电池
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1 转换为热能太阳能热水器是目前广泛利用太阳能最典型的一个例子。其原理就是将太阳能转换为热能，
是目前直接利用太阳能的最主要方式。
将光能转换为热能的关键是吸收材料，一般选用黑色、表面粗糙的材料以减少反射，增加对光子的有效吸收。
太阳光能的缺点：
1、能量密度低，因此设备的表面积必须很大。
2、对天气的依赖性强。
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2 转换为电能光电池 是人们最感兴趣的将光能转换为电能的一种设备。当光照射到一些半导体材料上时，半导体材料中的价电子就可以吸收光子而跃迁到导带并产生电动势。
光电池在收音机、计算器、汽车、飞机、
人造卫星等航天器的仪表等方面已经有广泛的应用。
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3 转换为化学能另外，植物能够从空气中的二氧化碳和根部吸收水，利用太阳能进行 光合作用合成碳水化合物而以化学能的形式储存能量。
太阳能光解制氢 是 近几年的热门研究课题。
这是将太阳能转换为化学能的一种最有效的方法。
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三,核能的来源及风险利弊核能的产生主要有两种方式,核裂变和核聚变。 释放的能量用质能方程计算：
2mcE
Ⅰ,核燃料和核能的来源
1,核裂变反应
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该反应损失质量 Δm= 0.2118g·mol-1，能量变化为：
110
21812
m o lkJ10904.1
)sm103()m o lg2 1 1 8.0(
mcE
此能量相当于 634.5吨标准煤完全燃烧所释放的能量。
在中子的轰击作用下，较重原子核 分裂 成轻原子核的反应称为 核裂变反应 。
n3Kr BanU 1091361425610235 92
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核裂变反应中有中子生成，故核裂变反应是以链式反应的形式进行的。 由于每次裂变所放出的第二代中子是能量较大的快中子，这种中子引发裂变反应的概率仅为慢中子的 1/500，因此，必需要用慢化剂 把它慢化到 慢中子（又称热中子）,以引发链式反应。常用的慢化剂是水、重水和石墨。
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热中子反应堆
核裂变反应产生的中子数多于消耗的中子数，但产生的中子会被核裂变物质和反应堆内构件吸收一部分，还有一部分中子将逃逸到堆外。
如果幸存中子数平均不到 1，链式反应则越来越弱，称为,收敛” ；如果幸存中子数平均大于 1，则链式反应会越来越强，
称为,发散”,最后可能到达无法控制的地步，原子弹爆炸即是此原理。所以必须对中子数进行严格控制。
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我们希望幸存的中子数恰好为 1，这样可让链式反应有控制的经久不息的进行下去。
驾驭链式反应可通过,控制棒” 实现。
控制棒可用中子吸收截面很大，但本身又不发生裂变的材料如镉、硼制成，这种核反应堆称为 热中子反应堆（慢堆）。
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快 中子增值堆
天然铀包含三种同位素：铀 -234
（ 0.0055%），铀 -235（ 0.72%），
铀 -238（ 99.2745%）
而铀 -238不能作为核裂变原料，如果仅用铀 -235做核燃料，其资源就很少。现代技术开创了将铀 -238转变为钚 -239的技术：
e2P u nU 01-2 3 994102 3 892
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钚 -239能够进行核裂变反应。也就是说，在反应堆里每个铀 -235裂变放出的中子，除维持裂变反应外，还有少量中子可以用来使难裂变的铀 -238转为易裂变的钚 -239，这种反应堆称为 快中子增值堆（快堆）。
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快堆在消耗裂变燃料以产生核能的同时，还能生成相当于消耗量的 1.2~1.6
倍的裂变燃料，这样，就可以把反应堆中积压的铀 -238充分利用。所以，
铀 -235,铀 -238,钚 -239统称为核燃料。
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贫铀炸弹
贫铀亦称贫化铀，是铀 -235燃烧后的核废料，其主要核素成分为铀 -238 。铀 -238是 a
衰变放射性核素，半衰期 4.49 x 109年。
70年代，美国首先发现：铀 -238作为金属坚韧度高，穿透力强，因此用其制成的贫铀炸弹可穿透坦克和装甲车。并且在爆炸同时释放出有放射性的“铀尘”，对人体造成长期的危害。美国在 1991年海湾战争中，首先使用了这种贫铀炸弹。以美国为首的北约对南联盟轰炸中，又使用了这种武器。
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贫铀炸弹
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经过海湾战争灾难的伊拉克居民，在战后又继续面对癌症的威胁。海湾战争后不久的 90年代以来，在伊拉克南部儿童死于淋巴癌、白血病等癌症的人数与 1989年相比成倍甚至成几倍增长。其原因被认为与海湾战争期间美国使用贫铀武器所告成的放射性污染有关。病理学家们在很多当地病人的尿样中以现了这种放射性元素。有关研究人员相信，贫铀炸弹严重损害了波斯湾地区人民的健康，估计至少有两万余名当地人因此身患致命的癌症。
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受美军贫铀炸弹辐射致残的孩子
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受美军贫铀炸弹辐射致残的孩子
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图 1.11 氢弹爆炸
18 gkJ100.6 E
由于氢原子质量小，如折合成每 g物质反应的热量则氢聚变所释放是能量是相同质量的铀裂变能量的 3倍 多。
2,核聚变反应
nHeHH 10423121
18 gkJ100.6E
高温 作用下，轻原子核 合并 成较重原子核的反应。
释放的能量同样用质能方程计算：
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受控核聚变
核聚变反应又称热核反应。氢弹爆炸即是热核反应。
热核反应的能量虽然很大，但是它的能量是一次放出来的，想要完全集中利用这些能量很不容易。所以，如果能够控制核聚变反应，使能量逐步释放出来，那么，
就可以利用核聚变能来发电，即受控核聚变反应。
,点火”待解决的问题,1）加热
2）约束
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Ⅱ,核电的优势与风险
1.发展核能是必由之路由其优势决定：高密度、清洁、经济的能源。
（ 1） 核能是地球上储量最丰富的高密度能源。
（ 2）核电是较清洁的能源，有利于保护环境。核电厂周围居民所受剂量每年大约只相当于一次 X射线照射的剂量，是毫无危险的。
（ 3）核电的经济性优于火电，虽然核电厂建造费较高，但 燃料费 则比火电厂低得多。总的算来，核电厂的发电成本要比火电厂低 10%~15%。
（ 4） 以核燃料代替煤和石油，有利于资源的合理利用。
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核电的发展趋势
(1) 热堆的应用。 应用广泛但燃料利用率很低；应使其完善、智能化，今后技术改进的重点是提高其固有的安全性和抵抗严重事故的能力。
(2) 快堆的应用。 核燃料利用充分，但工艺复杂，成本较高。加快研究和开发。
(3)可控热聚变堆 。处于基础研究阶段，
前景诱人。核聚变发电有望在本世纪二三十年代获得成功。
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担心是否会发生原子弹爆炸的危险，
或发生核泄漏事故 。
首先，反应堆内有中子控制棒，还有控制有裂变速率的减速剂，故反应堆在任何情况下都不会发生核爆炸，这已被实践证明。
2,反应堆的风险
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为了防止核裂变产生的大量放射性物质外逸，核电站设置的三道安全屏障：燃料包壳
（把核燃料裂变产生的放射性物质密封）、
压力壳（燃料壳如果损坏，放射性物质泄露到水中，但仍然在一个密封的回路系统中，
这一回路称为反应堆冷却剂压力边界）,安全壳 （内衬厚钢板、壁厚一米的钢筋混凝土建筑物，将一切可能的事故都限制并消灭在安全壳内）。
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自从世界上有核电站以来至今 40余年，已有 400多座核电站在运行，造成严重环境污染和人员伤亡事故的，仅 1986年的切尔诺贝利核电站。
这次事故有其独特的原因：主要是切尔诺贝利核电站采用的世界上仅前苏联独有的石墨沸水堆，其设计上有严重缺陷，加上它又没有设置封闭放射性物质的安全壳，一旦反应堆损坏，放射性物质即释放到环境，加上严重违反操作规程，以致产生严重的后果。
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1986年 4月 26日，位于乌克兰的原苏联切尔诺贝利核电站 4号反应堆发生爆炸，造成 30人当场死亡,8吨多强辐射物泄漏。核电站周围 6万多平方公里土地受到直接污染,320多万人受到 核辐射侵害。
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这是事故发生后采取紧急措施的资料照片
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用钢筋混凝土封起来的曾经发生核泄露的切尔诺贝利核电站 4号机组。
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玛林娜是自愿回到曾经遭受核污染的切尔诺贝利地区生活的老人之一。乌克兰政府规定“禁入区”内不准人居住，但一些老人想在故土安度晚年，
便偷偷返回居住地。
他们在“禁入区”内种菜、捕鱼和饲养家畜，但产品只能供自己食用。目前“禁入区”内生活着约 600名老人。
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俄罗斯卫生部门官员 24日说，超过 150万俄罗斯人迄今还住在受切尔诺贝利核电站事故污染的土地上，其中有人还在吃受放射性污染的食物 。
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当今世界上绝大多数核反应堆（包括我国的秦山核电站和大亚湾核电站的压水反应堆）,都设计为可根据,负反应性温度系数,进行安全保护的功能，即温度升高，反应性减弱，温度超过某限度，核反应即自行停止。所以切尔诺贝利式的事故绝不会出现在压水型反应堆的 。
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秦山核电站二期工程施工现场鸟 瞰 一 期
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放射性废气 由活性炭吸附和过滤后由烟囱高空排放；
放射性废液 经蒸发浓缩、离子交换后，经监测合格后可向江、河、海排放；
出堆的燃料元件可首先放在反应堆旁水池内半年以上，让大部分放射性同位素衰变掉，
然后在防护条件好的后处理厂进行化学提取未烧尽的铀、钚等有用物质，废物装桶深埋。
3,核反应堆废料的处理
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4.辐射对人体的危害
辐射的 高能粒子流 会破坏生命必需的酶和激素及细胞生存必不可少的染色体 。
根据不同的受辐射剂量，可造成造血系统、
消化系统及中枢神经系统的损害。可引起恶性淋巴瘤、骨髓瘤、白血病及其他癌症。
多数病例中的癌的发生滞后于暴露在辐射中的诱发期 5~20年间，此外，辐射如果穿越生殖细胞，还可能产生使后代受害的遗传效应。
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切尔诺贝利地区的畸形儿大大增加
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在医院接受治疗的孩子
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受伤的小动物
根据有关报告，
在那些强迫迁移的无人区内，土壤的放射指数仍然比正常区域内高出 10到 100倍。
但随着放射物质的衰减，当地的放射污染还是下降了不少。
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美军越战时投放化学武器遗留下的后果
据美国广播公司报道，美国在越战中将包括“脱叶剂橙剂” (Agent Orange)在内的化学武器广泛用于军事目的，导致越南出现很多残疾儿童，形成所谓的橙剂综合症。越战结束三十年后，原美军空军基地岘港仍然遗留威胁健康的高浓度污染，落叶剂橙剂 (AgentOrange)的污染问题成为环境研究课题。
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胡志明市托杜医院的“和平村庄”中心，据医院员工介绍，
这些孩子都有严重的脊柱裂，这是一种脊柱愈合不完整的先天性缺陷，以致部分脑膜及脊髓突起，经常会导致脑积水及其他神经功能紊乱。医生怀疑这是他们的父母接触过多橙剂中的戴奥辛毒素导致的。
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2007年 5月 25日，左边 13岁的男孩出生在隆安省，患有 X连锁鳞癣疾病，
这是一种干皮病，是遗传性的皮肤病，表现为皮肤干燥、变厚并出现鳞状屑片。他在越南胡志明市托杜医院的“和平村庄”中心被绑在床上，以保护他不会自我伤害。右边是一位 6岁男孩。据医院员工介绍，
这 2个孩子的症状都可能是他们的父母接触橙剂中的戴奥辛毒素而导致的。
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越南胡志明市托杜医院的“和平村庄”中心，靠墙边的 9
岁男孩被另一位男孩拥抱着。这 2位男孩身体都天生有严重的残疾，患有典型的脊柱裂，医院官员怀疑这可能是他们的父母接触橙剂中的戴奥辛毒素而导致的。
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这位在越南平定出生的 5岁女孩天生就没有眼睛，越南胡志明市托杜医院的“和平村庄”中心的一位护士给她喂饭。医院领导怀疑橙剂中的戴奥辛毒素影响了胎儿的正常发育，阻止了激素正常指导细胞发育成眼睛。
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论文要求
一,要求
1,凡学习本课程的同学，均需在学习期间完成一篇小论文。论文题目自拟。鼓励提出你自己的观点、意见、建议或学习某一章的心得体会。
2,论文要求字数在 1500~4000之间，并参阅不少于三篇（本）参考资料，并按一定格式列于论文后面。
3,第十六周课堂交论文。
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二、供参考的论文题目
1,对改善我国（或全球）大气质量的意见和建议。
2,试论我国进行汽车尾气监控的必要性和紧迫性
3,从吸烟有害健康，谈在青少年中开展禁烟的必要性
4,试论在防治全球性大气污染中，发达国家和发展中国家的责任问题
5,试论保护臭氧层的全球对策
6,防止酸雨威胁
7,节水减污，势在必行
8,环境保护与中国的可持续发展
9,中国能源政策之我见
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10,能源开发与可持续发展战略
11,21世纪的能源
12,论发展沼气对解决农村能源和环境保护的意义
13,试论能源、人口、粮食和社会进步与化学的关系
14,合理营养，增强体质 —— 从改变偏食习惯谈起
15,谈平衡膳食的体会
16,论室内装修污染的防治
17,我对化学是“一门满足社会需要的中心科学”的体会
18,核能的风险利弊
