能源与可持续发展（二）

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✦ 能源与可持续发展（二）物理能源与可持续发展（二）核聚变能
电能能量守恒焦耳定律深度解析

能源与可持续发展（二）

厘清电功、功率与焦耳定律的适用边界，搞懂能量守恒的真实约束与反直觉案例

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电能能量守恒焦耳定律深度解析

能源与可持续发展（二）

厘清电功、功率与焦耳定律的适用边界，搞懂能量守恒的真实约束与反直觉案例

1第 1 页 · 能源与可持续发展（二）

核裂变能（核能发电原理）

前面我们梳理了能源结构的两难：要发展、要清洁、要稳定——三全其美很难。核能是少数能同时回应这三种需求的选项之一。今天深入看看它到底靠什么发电。

核裂变反应
重核（如铀-235）被中子击中后分裂为两个较轻原子核，释放巨大能量与新中子
链式自持反应
新中子继续撞击其他重核，反应自我维持；控制棒吸收多余中子调节反应速率
四级能量转换
裂变能 → 冷却剂热能 → 蒸汽动能 → 汽轮机机械能 → 电能
反应堆是核心装置
压水堆、沸水堆、重水堆等不同堆型，工程上实现可控的链式反应
优势与代价并存
能量密度极高、碳排放近零；但产生放射性废物、存在熔毁等事故风险
多米诺骨牌连锁倒下对应 →核裂变链式反应

一颗铀核裂变释放的中子如同推倒的牌，再去撞倒下一颗；控制棒是随时可插入的挡板

E=Δm⋅c2E = \Delta m \cdot c^2
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核聚变能

裂变能撑起了全球核电，但它绕不开两个硬伤：长寿命放射性废物和有限的铀资源。物理学家把目光投向另一条路——让轻原子核"合并"，这正是太阳每秒都在做的事。

聚变反应
轻核（氘、氚）在极端高温下合成较重核并释放巨大能量——太阳的能量机制
燃料近乎无限
氘从海水提取，1升海水聚变产能≈300升汽油；氚可在堆内由锂"再生"
本征安全与清洁
参数一旦偏离聚变自动熄灭；主产物为氦，无长寿命废料，无碳排
极端点火条件
需上亿度高温等离子体，主流两条路：磁约束（托卡马克/仿星器）与惯性约束（激光）
进展与瓶颈
NIF 2022年首次实现净能量增益；ITER在建；核心难题是稳定Q>1与材料寿命
用无形磁场"笼子"困住一颗小太阳对应 →磁约束核聚变（托卡马克）

上亿度等离子体碰什么化什么，只能用强磁场悬空托住，绝不能接触容器壁

12H+13H→24He+01n+17.6 MeV^2_1\text{H} + ^3_1\text{H} \to ^4_2\text{He} + ^1_0\text{n} + 17.6\ \text{MeV}
3第 3 页 · 核聚变能

可持续发展

上一节说到聚变能若能商用，能源危机将大幅缓解。但有清洁电≠可持续——气候还在变暖、森林还在消失、物种还在灭绝。可持续发展要回答的，是比能源更根本的问题。

布伦特兰定义
1987 年联合国报告：既满足当代人需要，又不损害后代满足其需要能力的发展
三大支柱
经济、社会、环境三者协同；任一缺位，发展都难以持续
强 vs 弱可持续
弱：人造资本可替代自然资本；强：自然资本不可替代，两套边界
代际公平
把未来世代纳入决策视野；气候债务、物种灭绝是最直接的体现
银行账户的本金与利息对应 →自然资本与人造资本

弱可持续＝本金利息一起花但账面不缩水；强可持续＝只能花利息，本金（自然资本）不能动

4第 4 页 · 可持续发展

节约能源（必要性）

可持续发展已成共识，但'节约能源'为何是其中绕不开的一环？先从根源厘清必要性。

能源稀缺性
化石能源不可再生，按 R/P 比推算终有耗尽之日
环境外部性
污染与碳排放代价由全社会承担，未被市场计入
能效即竞争力
单位 GDP 能耗越低，产业在全球化中越具优势
代际公平
当代消耗不应透支后代可用的资源与环境容量
月光族理财对应 →能源消费观

只花不存终将破产，只用不节能源也会枯竭

5第 5 页 · 节约能源（必要性）

化石能源

前面讲了核能——人类"撬开"原子核获取能量。而地球上我们用得最多的，是地球自己用几亿年"攒"下来的能源：化石能源。这页看清它的来龙去脉。

形成原理
远古生物遗体被埋入地层，经亿万年高温高压缓慢转化
三大种类
煤（固态）、石油（液态）、天然气（气态）
能量本质
古代生物光合作用固定的太阳能，被"封存"在化学键里
典型应用
火力发电、交通燃料、取暖与化工原料
银行定期存款对应 →化石能源

古代生物"存进"太阳能，我们今天"取出"花；本金有限、无法续存

6第 6 页 · 化石能源

能量转化

上一页讲到核裂变、化石燃料燃烧都释放热量——但你家手机用的可不是热，而是电。热是怎么变成电的？路灯发光、电动车跑动，背后都是同一种过程：能量转化。

本质
能量从一种形式变成另一种形式，如化学能→热能→机械能→电能
形式多样
化学、热、机械、电、辐射等基本形式，相互间大多可转换
守恒约束
总量不变（热力学第一定律），转化前后总能量严格相等
效率与品位
有用输出÷总输入=效率；损耗并非消失，而是降级为难以利用的低品位热
典型链条
火电厂：化学能→热能→机械能→电能（四步）；光伏：辐射能→电能（一步）
外币兑换对应 →能量转化

货币总额守恒，每次兑换银行都收手续费——对应能量转化的效率损耗

η=WoutQin×100%\eta = \dfrac{W_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}} \times 100\%
7第 7 页 · 能量转化

不可再生能源

前面分头聊过煤、石油、铀-235、氘-氚——一个烧、一个裂、一个聚，看似八竿子打不着。但科学上偏偏把它们归为同一类。为什么？

定义
形成需百万年至亿年，人类时间尺度内无法补充
主要类别
化石能源（煤、石油、天然气）+ 核能（铀-235、氘等）
典型应用
电力（化石+核合计约占全球七成）、交通燃料、石化原料
根本代价
储量有限；燃烧排放 CO₂，核能产生放射性废料
祖辈留下的一次性存款对应 →不可再生能源

一笔固定本金，每花一笔就少一笔；不像工资会持续到账

8第 8 页 · 不可再生能源

可再生能源

上一页说化石能源是几亿年前固化下来的'能量存款'，用一点少一点。可再生能源则不同——它更像是'每月的工资'：只要源头还在，能量就在持续到账。

定义
自然过程中持续再生，且补给速率 ≥ 消耗速率的能源
典型类型
太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、潮汐能
核心优势
碳排放极低（接近零碳），资源总量近乎无限
关键挑战
间歇性强（看天吃饭）+ 能量密度低，单位面积出力有限
每年春天长出的新草对应 →可再生能源

草年年再生，用多少长多少；煤是几亿年前的草压成的，挖一块少一块

9第 9 页 · 可再生能源

本节要点

  • ✓能源分类的本质是"再生时间尺度"问题
  • ✓能量转化受热力学约束，不存在 100% 效率
  • ✓核能密度高，但裂变受限、聚变尚远
  • ✓可持续即当代不损后代，代际公平
  • ✓节能不是少用，而是提高利用效率
延伸主题：碳中和与能源转型路径储能技术：新能源的瓶颈第四代核反应堆与聚变进展
10第 10 页 · 本节要点

课后思考

先独立思考再看参考答案，体会每道题背后的取舍逻辑。

1为什么化石能源不能算作可持续能源？从两个维度回答。

参考答案储量有限属不可再生；燃烧释放CO₂破坏生态平衡。两个维度都满足才算不可持续。

2若要减少碳排放，应优先用核能还是太阳能替代煤电？为什么？

参考答案没有标准答案。核能稳定基载但有废料风险；太阳能清洁但间歇储能难。需权衡。

3核聚变尚未商业化，为何各国仍重金投入而非只发展现有可再生能源？

参考答案可再生能源受地理和储能限制；核聚变能量密度极高且燃料丰富，长期看是终极方案之一。

11第 11 页 · 课后思考