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第十八章 能源与可持续发展
第2节 核能 太阳能
原子弹的爆炸为何能释放如此巨大的能量；
今天就让我们一起来学习核能和太阳能的知识。
屋顶铺满太阳能板，使太阳能得到充分的利用；
1.了解核能的概念。
2.知道核裂变、核聚变及其应用。
3.掌握核电站的组成部分，发电过程及其对应的能量转化。
4.了解太阳能及其应用。
我们知道，原子是由原子核和核外电子构成的。原子核非常小，它的直径大约是原子直径的十万分之一。原子核又是由质子和中子构成的，中子不带电，质子带正电。
许多带正电的质子拥挤在一个小小的原子核中，它们之间必定会产生很大的相互排斥的力，可为什么它们还能紧紧地结合在一起呢
知识点一、核能
这是因为，原子核内的各个粒子间存在的是一种很强的相互作用——核力。质子和中子正是依靠强大的核力紧紧地结合在一起的。当原子核的结构发生变化时，有时能释放出惊人的能量，原子核中所蕴含的这种能量称为核能。
20世纪初，科学家就已经认识到原子核内蕴藏着巨大的能量。怎样才能让这些能量释放出来呢 科学家经过几十年的艰苦探索，终于找到了获取核能的途径。
核能
科学家研究发现，铀原子核在中子的轰击下会分裂成两个质量大致相等的原子核。我们把这种质量较大的原子核分裂为两个或两个以上中等质量原子核的过程叫作裂变。
铀原子核裂变时，除了释放大量能量，还会同时释放2～3个中子。 这些中子又能使其他铀原子核裂变，从而释放出更多的中子， 如图18 - 7所示。该过程自发地持续进行下去，会释放巨大的能量。目前的核电站就是根据这个原理利用核能来发电的。
核裂变
此外，科学家还发现，在超高温和超高压的条件下，两个质量较轻的原子核，如氘核和氚核，会发生聚合，生成质量较大的氦核，同时释放出巨大的能量，这样的核反应过程称为聚变。太阳的能量就来自它内部的聚变。
科学家正在努力研究可控聚变，力争使其成为未来的能量来源。图18-8所示是我国科研人员研制的世界第一台全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环，它有“人造太阳”之称。自建成运行以来，它已经取得了一系列领先国际的实验成果。
核聚变
核能是一种低碳能源，利用核能进行发电，具有清洁高效、能量密度高、单机容量大、占地规模小、不受季节和气候影响、发电稳定可靠且成本相对较低等优点。
核能
能量密度高
单机容量大
占地规模小
发电稳定
成本相对较低
核能的优点
为了安全、有效地利用裂变时所产生的能量，科学家研制成了核反应堆。核电站就是利用核反应堆提供的能量发电的。核电站主要由核反应堆、 汽轮机和发电机等组成，如图18-9所示。
在核反应堆中，通过裂变将核能转化为水的内能，高温高压的水蒸气推动汽轮机转动，进而带动发电机产生电能，最后通过电网将电能送到千家万户 。
核电站
我国核电工业经过50多年的发展， 实现了从无到有、从小到大、由大变强的历史性跨越。2021年12月20日，位于山东威海的石岛湾高温气冷堆核电站示范工程(图18-10)首次并网发电成功，这是世界首个应用第四代核电技术建造的核电站，标志着我国从“核电大国”发展为“核电强国”。
20世纪下半叶以来，核能应用技术的发展异常迅速，核能成为世界能源舞台上引人注目的角色。核电建设取得了巨大成就，但也发生了一些骇人听闻的事故。对于是否要把核电建设纳入国家能源发展规划之中，人们的看法并不一致。其中有两种对立的观点：
背景资料
观点1：核能利用存在的风险和危害极大，不值得提倡。持这种观点的人以历史上发生的核电站事故为依据，对核电站的安全性持怀疑态度。
观点2：核能是安全、清洁、廉价的能源，它的风险是可以利用科学技术加以控制的。
请组成两个小组，各代表一种观点，展开辩论，其他同学对双方的辩论过程进行评价。
活动18.1辩论：核电值得发展吗
发展核电有哪些优点 存在哪些风险 我们该如何辩证地看待核电发展的问题
交流与小结
1.优点：只需消耗很少的核燃料，就可以产生大量的电能，每千瓦时电能的成本比火电站要低20％以上，可以减少燃料的运输量。
2.风险（不安全因素）：核泄漏事故发生会造成放射性污染。
3.观点：我的观点是在严格监管下合理兴建核电站。虽然核电站存在核泄漏的安全隐患，但它具有能量密度高、成本较低、减少化石燃料消耗等优点，能缓解能源紧张问题。只要通过先进的技术和严格的管理措施（如完善的安全防护系统、定期检查维护等），可以将风险控制在极低水平，实现安全与能源需求的平衡。
太阳很神奇也很神秘，自古以来，人们就对太阳充满着敬畏与好奇，如图18-13所示。太阳表面的温度约为5500℃，中心温度约为1.6×10 ℃。太阳中蕴藏着无比巨大的能量。人类所使用的能源绝大部分直接或间接来自太阳。据估计，太阳每天向地球辐射的能量，相当于地球上蕴藏的所有化石燃料所具有的化学能的总和。同时，由于太阳能分布广阔、获取方便、清洁无污染，所以太阳能是人类未来的理想能源之一。
迄今为止，人类还无法直接探测太阳内部的情况，它还有非常多的奥秘等待我们去探究。
知识点二、太阳能及其应用
太阳与太阳能
收集资料
观察图18-14（见下页）,查阅相关资料，了解图中所示的风能、地热能、潮汐能、生物质能、核能等的情况及这些能源大致的形成过程。
讨论与交流
试就下列问题发表你的看法，并与同学交流。
1.哪些能源来自太阳
2.哪些是可再生能源，哪些是不可再生能源
3.指出三种在应用时会产生污染的能源。
风能、生物质能。
生物质能、核能。
风能、地热能、潮汐能。
煤、石油、天然气等化石能源。
活动18 . 2 了解太阳能及其转化
列举生活中常用的几种能源，说出它们从形成到被人类获取和应用的大致情况，并分析其中涉及的能量转化过程。
人们常说，太阳是地球的“能源之母”。从广义的角度看，太阳能不仅包括直接辐射到地球表面的太阳能，而且还包括由它转化形成的水能、风能、生物质能等。
现在广泛开采并使用的石油、天然气
和煤等化石能源也都来自太阳。可以
说，除核能、地热能和潮汐能以外，
地球上绝大部分能源来自太阳
辐射能，如图18-15所示。
我国地域广阔，大部分国土位于中低纬度，太阳辐射较强，太阳能资源非常丰富，扩大太阳能的应用已成为推动我国能源绿色低碳转型的重要举措之一。目前太阳能的利用一般有光热转换和光电转换两种方式。
图18-16所示是建立在戈壁滩上的甘肃敦煌100MW熔盐塔式光热电站。发电站内1.2万多面定日镜，以同心圆状围绕着260m 高的吸热塔，通过系统控制追踪太阳，把太阳光反射到吸热塔顶部，然后通过一系列的转换技术，将光能最终转化为电能输送至千家万户。该发电站由我国自主设计和建设，全部设备都采用计算机控制，是我国目前建成的规模最大、吸热塔最高、可24h 连续发电的光热电站。
太阳能的应用
图18-17所示是建在黄河上游青海塔拉滩地区的光伏发电园，占地面积约为609 km 。它是目前全球装机容量最大的光伏发电园。
光热转换
光电转换
核
能
太
阳
能
核能
太阳能及其应用
核能的概念
核裂变
核聚变
核能的优点
组成部分：核反应堆、汽轮机、发电机
发电过程及其对应的能量转化
太阳能
地球上绝大部分能源来自太阳
利用太阳能的两种方式
太阳能的应用
核电站
太阳能的应用
1 .下列能源中，不是来自太阳的是 ( )
A ．风能 B ．煤和石油
C ．潮汐能 D ．生物质能
C
2 .关于太阳内部核反应的说法正确的是 ( )
A ．是核裂变，反应吸收能量
B ．是核裂变，反应放出能量
C ．是核聚变，反应吸收能量
D ．是核聚变，反应放出能量
D
3 .和平利用核能，提高清洁能源比重，是我国能源发展战略的重要内容，关于核能，下列说法正确的是 ( )
A ．核反应堆中，核能是通过聚变释放的能量
B ．核反应堆中，核能是通过裂变释放的能量
C ．核能是可再生能源
D ． 日本核废水排海说明核能清洁无污染
B
4 .月球是一个核聚变原料宝库，仅其表面尘埃中的聚变材料－氦核，就足够人类使用上万年。目前，核能在许多经济发达国家已经成为常规能源，它是 （选填“可”或“不可”）再生能源，与火力发电相比，核能发电的优点之一是核电站只需消耗很少的核原料，最后可以产生大量的 能。
不可
电
5 .核能作为我国新型能源正被开发和利用，图示核反应堆中发生的是可控核 （选填“聚变”或“裂变”），核发电能量转换过程是核能→ → -→ 电能。
裂变
内能
机械能
A ．太阳能是不可再生能源
B ．太阳能电池板相当于用电器
C ．太阳能电池板将电能转化为太阳能
D ．空间站利用电磁波与地面通信
6.我国空间站是一个在轨组装成的空间实验室系统，总质量达 180t ，展开的太阳能电池板能为空间站提供能量。下列说法正确的是 ( )
D

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