书城童书青少年应该知道的热
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第7章 潜在热能的发现

1.人造太阳:3000年取之不尽的能源

1991年11月9日,物理学家们用欧洲联合环形聚变反应堆在1.8秒内再造了太阳,这是在一个大环(一种直径20米的不锈金属)里实现的首次热核反应。

质量较小的氢原子核,如氕(11H)、氘(21H)、氚(31H)、氦核(42He)、锂核(73Li)等,在很高的温度下能互相结合成新的核,并释放出大量的能量,称之为原子核的聚变,如下述核反应关系式:

21H+21H→32H+10n+3.25Mev

21H+21H→31H+11H+4.00Mev

63Li+21H→42He+22.40Mev

上述反应式最后的数字表示所释放的能量,如在第一个反应式中,两个氘发生聚变反应,生成一个中子和一个氦的同位素核(32He),同时放出3.25Mev能量(1Mev=1.60×10-13焦耳),平均一个氘核聚变时放出1.625Mev能量。假设有2克氘(1mol)发生聚变,则所放出的能量将高达1.56×1011焦耳的能量,相当于40万度电的能量,是同样质量的铀核裂变产生的能量的4倍。

自然界中氘的贮存量是十分丰富的,在氦同位素中,氘的自然丰度很高。按重量计算,由氘结合而成的海水约占海水重量的六千分之一。地球表面海水总贮量为1018万吨,每克氘聚变产生20万度电的能量,由此可以算出海水中所贮的氘全部发生聚变将产生大量的电能。按目前世界耗能水平来说,估计这些能量可供人类使用几百亿年!因此实现核聚变反应,无疑对人类文明是一个很大的促进。

我们知道核聚变问题的关键是要使两个核足够靠近才能发生核反应,这就需要克服强大的库仑斥力。科学家们计算,若把反应核加热到一亿度左右的高温,就可以发生这种核聚变反应——热核反应。上面提到的物理学家们再造的太阳,其温度已达到2亿度,差不多是太阳内部温度的10倍!看来,人类长期以来的梦想——利用聚变解决能源问题,在不久的将来就会成为现实,那时我们就不必为停电发愁而抱怨了。

2.垃圾热能利用

垃圾供热一直是垃圾产业的重要内容,因为热能本身是宝贵的资源。长期以来,各国都把垃圾开发的重点放在焚烧获取能源上。垃圾的热值对于获取能源极为重要,一般垃圾热值达到每千克2600千焦就可以回收到热能。据测算,1千克普通垃圾可产生相当于0.2千克煤发出的热量。比如现在有很多城市一年能产生四百万吨左右垃圾,这些垃圾相当于80多万吨煤。一个有20万人的住宅区,一天能产生240吨垃圾,按现有的焚烧技术回收40%,则可获得二千八百八十吨左右50℃以上的热水。由此可见,一座城市的垃圾就像许多的露天煤矿,可以无限开采。因为垃圾到处都有,每天产生,并“免费”供应。垃圾可以用于铺路、制砖、改良土壤、围海造田等。

目前,国际上有4种垃圾燃烧利用法:德国、日本等大多数国家采用所谓内核烧结法,就是把垃圾分选好,直接利用它本身的热能而不用其他辅助燃料使其自燃;美国、意大利等部分国家将垃圾制成沼气,比如美国已经建有全球最大的垃圾沼气站,每天生产的甲烷气达28万立方米;英国利用垃圾转化为石油,扩大再生产;法国、印度则将垃圾制成固体燃料,这些燃料中的热值有的相当于同量煤的90%,而且不会产生烟尘,有很高的使用价值。

目前我国国内已经研究出垃圾内核烧结法。这一技术的主要特点是:垃圾不用分类就可以入炉,也不需要加其他辅助燃料。我国浙江也提出了一种名叫“煮米粥”的处理垃圾的方法,就是在一个经过特殊设计的方形或圆形炉膛里焚烧垃圾,在800℃~900℃的高温下,用鼓风机带来的气流搅动,使垃圾在翻滚中混合均匀受热,从而达到高效燃尽。这一过程好似煮米粥。等焚烧后,垃圾的体积可以减少90%以上,处理3吨杭州西湖的干污泥热量相当于烧1吨煤。