世界能源發(fā)展趨勢與高校專業(yè)發(fā)展的關(guān)系_能源發(fā)展趨勢
發(fā)布時間:2020-02-16 來源: 日記大全 點擊： 
摘要：本文通過分析世界能源消耗引發(fā)的全球性矛盾，闡述能源發(fā)展的趨勢，特別是新能源的發(fā)展走向。通過闡述太陽能和核能的基本原理，分析新能源發(fā)展需要的技術(shù)支撐，從而闡述新能源發(fā)展與高等學(xué)校專業(yè)發(fā)展的關(guān)系。
關(guān)鍵詞：能源；環(huán)境；專業(yè)
中圖分類號：F206 文獻標識碼：A
一、引言
能源是人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)。從某種意義上講，人類社會的發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進能源技術(shù)的使用。在當今世界，能源的發(fā)展，能源和環(huán)境，是全世界、全人類共同關(guān)心的問題，也是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重要問題。
隨著工業(yè)、交通和科技的迅速發(fā)展，隨著人們生活水平的提高，人類對能源的需求迅速增長，然而，如何保護人類生存環(huán)境的問題也越來越迫在眉睫。要解決這樣一個全球性的矛盾，必須制定新的能源發(fā)展戰(zhàn)略，改變能源結(jié)構(gòu)，強化節(jié)能減排措施，兼顧能源發(fā)展和環(huán)境保護。
作為世界上最大的發(fā)展中國家，中國是一個能源生產(chǎn)和消費大國。能源生產(chǎn)量僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位；基本能源消費占世界總消費量的1/10，僅次于美國，居世界第二位。中國又是一個以煤炭為主要能源的國家，發(fā)展經(jīng)濟與環(huán)境污染的矛盾比較突出。近年來能源安全問題也日益成為國家生活乃至全社會關(guān)注的焦點，日益成為中國戰(zhàn)略安全的隱患和制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。上個世紀90年代以來，中國經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展帶動了能源消費量的急劇上升。自1993年起，中國由能源凈出口國變成凈進口國，能源總消費已大于總供給，能源需求的對外依存度迅速增大。煤炭、電力、石油和天然氣等能源在中國都存在缺口，其中，石油需求量的大增以及由此引起的結(jié)構(gòu)性矛盾日益成為中國能源安全所面臨的最大難題。因此，開辟清潔能源的開發(fā)、生產(chǎn)途徑，減少化石能源的比例，既發(fā)展能源，又減少污染，是我國也是全世界面臨的迫切的任務(wù)。
二、全球能源枯竭和全球變暖的嚴峻形勢
（一）當前能源組成結(jié)構(gòu)
1.當前世界各國的能源結(jié)構(gòu)
圖1 顯示了2007年公布的世界上8個能耗大國能源結(jié)構(gòu)，可以看出，盡管世界各國都清醒地意識到溫室氣體對人類生存環(huán)境會產(chǎn)生巨大的危害，但由于開發(fā)新能源在技術(shù)和成本上還有許多問題，各國仍然將生產(chǎn)傳統(tǒng)能源放在主導(dǎo)地位，從結(jié)構(gòu)上看，所有能源大國的煤炭、石油、天然氣的產(chǎn)量所占整個能源的比例都在60%以上，水電及核電所占比例很小。
2.中國的能源結(jié)構(gòu)
中國是一個能源生產(chǎn)大國，也是一個能源消費大國。50多年來，中國能源消耗量急劇上升，而且所消耗的能源始終是以煤炭為主。圖2顯示了1953年~2005年中國一次能源消耗變化情況。
以2003年為例,全年能源消費總量約為16.8億噸，比2002年增長13%，其中：煤炭占67.2%，石油占22.7%，天然氣占2.8%，水電等占7.3%。與其他各國相比，我國煤炭能源的比重很大，而清潔能源的比重很小，由此可以看出，要想我國的能源今后能夠得到可持續(xù)發(fā)展，改變能源結(jié)構(gòu)的任務(wù)將非常艱巨。
�。ǘ﹪H上礦物能源枯竭還有多遠
當今世界，每年要消耗大量的能源，且能源的消耗量正以驚人的速度增長著，在消耗的能源中，非再生能源就占了90%。如煤、石油、天然氣等礦物能源（也稱為化石能源），它們是幾十萬年來沉寂在地層深處的自然資源，是不可能再生的。對這些資源的大量開采，總有一天會“彈盡糧絕”，“坐吃山空”。
根據(jù)1992年世界能源會議的報告說，目前世界非再生能源的資源和前景不容樂觀，按目前已探明的儲量，礦物能源的可供開采期為：
煤炭：還可開采210多年。
石油：僅夠開采40多年。
天然氣：僅可開采50多年。
根據(jù)日本、歐盟等能源機構(gòu)預(yù)計，全球化礦物源的枯竭是不可避免的，其峰值將在2020－2030年出現(xiàn)，并在本世紀內(nèi)基本開采殆盡。
人類自1973年以來，共向地球索取了5000億桶（約合800億噸）石油，剩下的石油按現(xiàn)有生產(chǎn)水平匡算，還可保證開采44年。天然氣也只能持續(xù)開采56年，一些國家的煤炭資源已采掘殆盡。
世界各國都還在積極地探測蘊藏在地底下尚未被發(fā)現(xiàn)的可開采能源。我們還不能準確地預(yù)測出地球上的礦物能源還夠人類開采多少年，但有一點是肯定的，那就是數(shù)量再多，究竟有限，總有被開采完的一天。
�。ㄈ┲袊鴤鹘y(tǒng)能源枯竭還有多遠
1．需求
我國長期能源形勢十分嚴峻，但能源需求卻越來越大。預(yù)測到2050年，能源年耗將達到標煤38億噸（相當于2000年的3倍），成為世界第一能耗大國。
2．儲量
如圖3所示，我國各種一次性能源資源儲量均低于世界平均水平。且我國正處在經(jīng)濟社會的快速發(fā)展時期，已經(jīng)成為世界第二大能源消費國，快速增長的能源需求態(tài)勢，使能源供應(yīng)問題在未來越發(fā)嚴重。
3．開采
與全球能源形勢相比，我國一次性能源煤炭、石油和天然氣的開采形勢更不容樂觀，其時間表均早于全球化石能源枯竭速度。開采、利用技術(shù)水平低、能效差，能源安全形勢嚴峻。
4．結(jié)構(gòu)
電力在能源結(jié)構(gòu)中比重小、供應(yīng)缺口大。 可再生能源的比重很小，發(fā)展緩慢。
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1．熱帶面積擴大
最近一期的英國《自然•地球科學(xué)》雜志發(fā)表了美國國家海洋和大氣管理局實驗室的一項研究報告，地球上的熱帶區(qū)域從1979年至2005年間已向南北方向總計擴張了2至4.8個緯度的距離，相當于200公里至500公里。一般而言，熱帶是指地球上南緯23.5度和北緯23.5度之間的區(qū)域。
2．干旱、洪澇加劇
干旱和洪澇程度提高，地域面積擴大。氣候良好的地域面積減少。
3．海平面提高
報告預(yù)測，本世紀末全球海平面將上升大約一米。而其中15%是由于北極變暖而造成的。在孟加拉，大約有一千七百萬人口居住在海平面一米以下的區(qū)域。而在其他地方，如美國的佛羅里達、路易斯安那、曼谷和馬尼拉等地也都將受到海平面上升的威脅。
�。ㄎ澹厥覛怏w帶來的嚴重后果
溫室氣體是指具有溫室效應(yīng)的氣體。大氣層短波太陽輻射可以較容易通過這些氣體到達地面，而地面和物體發(fā)散的長波輻射卻被這些氣體阻隔不易逸出，使近地面的氣溫增高。
大氣中的主要溫室氣體有二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）、氟氯烴化合物（CFCS）等，空氣中溫室氣體的雖然只有1/10000-1/1000，但其溫室效應(yīng)十分強烈。
研究溫室氣體對全球氣候的影響都是利用數(shù)值實驗取得，實驗結(jié)果表明，當CO2加倍時會使所有緯度上地面氣溫增加；全球年降水量增加，但各緯度增加不一致。
1．大氣中的二氧化碳濃度增加
自18世紀晚期以來，大氣中的二氧化碳濃度增加了36％，這主要是由人類使用化石燃料和毀林等活動引起的。另外，釋放到大氣中的一氧化二氮有1/3左右來源于人類活動；大氣中60％的甲烷來源于人類活動。
2．對北極造成毀滅性影響，北極熊可能滅絕
《北極氣候變化影響評估》報告是由北極協(xié)會的八國政府聘請250多個科學(xué)家經(jīng)過一系列的考察和分析做出的。
報告指出，北極地區(qū)正在受到氣候變化影響并產(chǎn)生嚴重的后果。北極生物將受到生存環(huán)境改變的巨大威脅。北極熊、海豹等物種首當其沖，北極脆弱的生態(tài)系統(tǒng)岌岌可危。同時，北極地區(qū)氣候變化所產(chǎn)生的后果還將反作用于氣候系統(tǒng)，引起更大的全球變化。北極冰川所儲存大量的淡水注入海洋將使海平面上升。海冰的大量融化使得北極地區(qū)反射太陽光能力減弱，這也將進一步引起氣溫變暖。
3．颶風(fēng)和海嘯次數(shù)增加、強度加大
美國國家海洋及大氣管理局3月14日發(fā)布了2005年大氣的監(jiān)測數(shù)據(jù)，初步測算結(jié)果顯示，2005年大氣中二氧化碳濃度創(chuàng)造了新的最高記錄，達到了381ppm（ppm表示每百萬個空氣分子中二氧化碳分子的數(shù)量）。
據(jù)專家介紹，在過去40萬年間，二氧化碳在大氣中的濃度約為180～280ppm，但是從工業(yè)革命后，二氧化碳濃度不斷上升。世界氣象組織2006年3月14日公布的首份《大氣中溫室氣體狀況》年度報告中公布，到2004年底，大氣中二氧化碳、甲烷和一氧化二氮三種溫室氣體濃度分別比工業(yè)化時代之前高出35%、155%和18%。
4．大氣輻射驅(qū)動效應(yīng)增強
溫室氣體長期留存在大氣中就會形成輻射驅(qū)動效應(yīng)并導(dǎo)致大氣溫度上升。世界氣象組織說，自1750年工業(yè)化時代開始以來，各種溫室氣體的變化導(dǎo)致了大氣輻射驅(qū)動效應(yīng)增強，而二氧化碳、甲烷和一氧化二氮這三種主要溫室氣體所起的作用，在所有溫室氣體中所占比例高達88%。
根據(jù)美國航空航天局的監(jiān)測結(jié)果，2005年地球表面的平均溫度達到了19世紀末有溫度記錄以來的最高。去年9月的一份研究報告指出，過去20年中，風(fēng)力強大的四級、五級颶風(fēng)的發(fā)生頻率一直在持續(xù)上升，而在此期間，海洋表面的平均溫度也一直在升高。因此，很可能是海洋上溫暖的水蒸氣為颶風(fēng)提供了強大能量。
科學(xué)家擔(dān)憂地表示，目前大氣二氧化碳的濃度已經(jīng)是侏羅紀時期發(fā)生嚴重溫室效應(yīng)時二氧化碳濃度的1/4。人類如果放任它如此增長下去，100年以后，或者是更短的時間內(nèi)，很可能發(fā)生像侏羅紀時期同樣程度的溫室效應(yīng)。屆時，兩極冰蓋融化，陸地減少，氣溫大幅上升，大量生物滅絕……
三、新能源和可再生能源的潛力及新的危機
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1. 常規(guī)能源的種類
常規(guī)能源是指當前普遍使用的能源，即煤、石油和天然氣燃燒產(chǎn)生的能源以及水能。
2. 新能源的種類
新能源的定義是相對于常規(guī)能源，其種類有：太陽能，潮汐能，地?zé)崮�，生物能源，核能等�?
3. 可再生能源的種類
可再生能源是指自然界中可以再度產(chǎn)生的能源，如風(fēng)能、太陽能、水能、潮汐能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能等。
（二）新能源和可再生能源的原理及發(fā)展?jié)摿?
此處僅針對太陽能和核能闡述其原理和發(fā)展?jié)摿Α?
1. 太陽能
（1） 原理：
�、� 電的產(chǎn)生
太陽能電池結(jié)構(gòu)如圖4所示。當光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的實質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。
�、� 光伏電源系統(tǒng)構(gòu)成
圖5顯示了光伏電源系統(tǒng)構(gòu)成，太陽能電池組件經(jīng)過光照，在兩極產(chǎn)生電位差，形成電壓，送至控制器，控制器將電壓送到直流負載，供支流設(shè)備用電，如果負載是交流設(shè)備，則經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成交流，再送至交流負載�？刂破饕部梢詫㈦妷核椭岭娖拷M進行充電，在需要的時候再將電瓶組的電傳送至負載，例如，白天對電瓶組充電，晚上供照明用電。
（2） 太陽能的發(fā)展?jié)摿?
太陽是一個巨大的、久遠的、無窮無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為3.75×1026W）的22億分之一，但已高達173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤。假如把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量相當于目前世界上能耗的40倍。
太陽能源是可再生能源，它取之不盡、用之不竭；并且，由太陽能產(chǎn)生的能源對環(huán)境友好，對地球及人類的生存環(huán)境的危害幾乎可以忽略不計。因此，世界各國都非常重視太陽能的利用。
在地球上應(yīng)用光伏技術(shù)也有許多不利因素，下雨、陰天影響發(fā)電，灰塵影響對電池組件的光照效果，風(fēng)暴可能毀壞電池組件，架設(shè)電池組件的地方影響植物生長等。
對于人類來說，接收太陽能最理想的地方是月球。因為月球上沒有空氣，沒有云彩，不會下雨，天空中沒有灰塵，對太陽光的吸收率很高。世界上發(fā)達國家已經(jīng)提出了在月球上建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)想。
（3） 太陽能的應(yīng)用現(xiàn)狀：
�、� 國際太陽能的應(yīng)用現(xiàn)狀
2005年全球太陽能裝機總量達到歷史新高的1460MW，增長了34%，而其中德國占據(jù)了整個光伏市場的57%，在05年達到837MW，增長53%（如圖6所示）。預(yù)測到2010年全球年裝機總量將達到3.2至3.9GW。
據(jù)國際太陽能咨詢公司最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2007年全球太陽能電池產(chǎn)量達到3436兆瓦，較2006年增長了56%，中國廠商市場占有率由2006年的20%提升至35%。
�、� 國內(nèi)太陽能的應(yīng)用現(xiàn)狀
與國際上蓬勃發(fā)展的光伏發(fā)電形式相比，我國落后于發(fā)達國家10－15年，甚至明顯落后于印度。但是，我國光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30%的速度增長。
光伏發(fā)電目前主要的方法是使用硅，我國是世界上盛產(chǎn)硅的國家之一。
目前全球金屬硅產(chǎn)能100萬噸左右，主要生產(chǎn)國有美國、俄羅斯、日本、挪威、巴西、中國等。近幾年，巴西、中國生產(chǎn)能力不斷提高，成為世界金屬硅生產(chǎn)、出口大國，我國金屬硅生產(chǎn)能力在77萬噸左右，2000年以來，我國每年的工業(yè)硅產(chǎn)量都達到40萬噸以上，約占世界工業(yè)硅的三分之一，年出口量超過了30萬噸。
據(jù)四川網(wǎng)絡(luò)電視視頻臺（作者：楊力君）于2007年7月26日報道，從西昌市政府獲悉：“十一五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃先進能源技術(shù)領(lǐng)域重點科技項目――“兆瓦級聚光伏（CPV）并網(wǎng)電站（簡稱太陽能光伏電站）”經(jīng)四川省科技廳上報，獲國家科技部批準落戶西昌。
通過該項目的研究實施，建立并網(wǎng)聚光光伏（CPV）電站的科學(xué)研究體系，將帶動我國并網(wǎng)聚光光伏電站產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還大幅度的降低太陽能光伏發(fā)電成本，并加快了太陽能光伏發(fā)電商業(yè)步伐。
2. 核能
�。�1） 原理
�、倌芰康漠a(chǎn)生
原子彈：是利用鈾-235或钚-239等重原子核裂變反應(yīng)所產(chǎn)生巨大的能量。
氫彈：用一層能產(chǎn)生聚變反應(yīng)的氘，把一個原子彈包圍起來，就成了氫彈。當原子彈爆炸時，產(chǎn)生的熱能夠引起氘的聚變，這就是氫彈爆炸。
由于熱核反應(yīng)難以控制，所以把核聚變能轉(zhuǎn)變成動力，就成了科學(xué)家努力的方向之一。在地球上，只有在原子彈的爆炸中心才具備熱核反應(yīng)發(fā)生的條件，因為那里能產(chǎn)生幾百萬度以上的高溫。
② 核能發(fā)電原理和核燃料狀況
核能發(fā)電就是利用核燃料在核反應(yīng)堆中進行可控自持鏈式裂變反應(yīng)產(chǎn)生的熱能進行發(fā)電的方式。核燃料通常指可裂變核素鈾233、鈾235和钚239或其混合物。核燃料在裂變反應(yīng)后，發(fā)生所謂質(zhì)量虧損，即反應(yīng)中核燃料的一部分質(zhì)量（m）轉(zhuǎn)化為能量（E）。按愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式 E＝mc2（式中c為光速），很少的質(zhì)量虧損能轉(zhuǎn)化為巨大能量。據(jù)計算，一座百萬千瓦的核電站，每年消耗鈾235約25噸。而同功率的火電廠每年耗煤達6875萬噸。
由于過去使用的核燃料具有放射性，所以對核電站的安全防護要求格外嚴格，所花費投資也很大。從1954年首座核電站在前蘇聯(lián)建成后，直到1966年，由于核濃縮技術(shù)的發(fā)展，核能發(fā)電的成本在發(fā)達國家才低于火電成本，從而使核能發(fā)電真正邁入實用階段。自然界存在的可裂變元素只有鈾235，而它只占天然鈾的0.7％（其余均為鈾238），但在核電站中可將一部分鈾238轉(zhuǎn)變?yōu)轭?39，釷232（自然界中大量存在）轉(zhuǎn)變?yōu)殁?33，所以核燃料的儲藏量能滿足較長時期的核能發(fā)電的需要。
從圖3可以看出，世界上和中國鈾的儲量有限，只夠開采幾十年，為最終解決人類的能源問題，科學(xué)家們正在研究熱核聚變發(fā)電。核聚變能在瞬間釋放巨大能量（如氫彈），1千克氘的熱值相當于4千克鈾235裂變所能釋放的能量。而當前最需要解決的問題是如何實現(xiàn)核聚變反應(yīng)的人工控制。世界各國對此都投入了巨大的人力、財力和物力。
③ 壓水反應(yīng)堆核電廠原理
利用核能生產(chǎn)電能的電廠稱為核電廠。由于核反應(yīng)堆的類型不同，核電廠的系統(tǒng)和設(shè)備也不同。壓水堆核電廠主要由壓水反應(yīng)堆、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)（簡稱一回路）、蒸汽和動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（又稱二回路）、循環(huán)水系統(tǒng)、發(fā)電機和輸配電系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)組成，其流程原理如圖7所示。通常將一回路及核島輔助系統(tǒng)、專設(shè)安全設(shè)施和廠房稱為核島。二回路及其輔助系統(tǒng)和廠房與常規(guī)火電廠系統(tǒng)和設(shè)備相似，稱為常規(guī)島。電廠的其他部分，統(tǒng)稱配套設(shè)施。實質(zhì)上，從生產(chǎn)的角度講，核島利用核能生產(chǎn)蒸汽，常規(guī)島用蒸汽生產(chǎn)電能。
反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)將堆芯核裂變放出的熱能帶出反應(yīng)堆并傳遞給二回路系統(tǒng)以產(chǎn)生蒸汽。通常把反應(yīng)堆、反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)合稱為核供汽系統(tǒng)�，F(xiàn)代商用壓水堆核電廠反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)一般有二至四條并聯(lián)在反應(yīng)堆壓力容器上的封閉環(huán)路（見圖8）。每一條環(huán)路由一臺蒸汽發(fā)生器、一臺或兩臺反應(yīng)堆冷卻劑泵及相應(yīng)的管通組成。一回路內(nèi)的高溫高壓含硼水，由反應(yīng)堆冷卻劑泵輸送，流經(jīng)反應(yīng)堆堆芯，吸收了堆芯核裂變放出的熱能，再流進蒸汽發(fā)生器，通過蒸汽發(fā)生器傳熱管壁，將熱能傳給二回路蒸汽發(fā)生器給水，然后再被反應(yīng)堆冷卻劑泵送入反應(yīng)堆。如此循環(huán)往復(fù)，構(gòu)成封閉回路。整個一回路系統(tǒng)設(shè)有一臺穩(wěn)壓器，一回路系統(tǒng)的壓力靠穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)，保持穩(wěn)定。
為了保證反應(yīng)堆和反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的安全運行，核電廠還設(shè)置了專設(shè)安全設(shè)施和一系列輔助系統(tǒng)。
一回路輔助系統(tǒng)主要用來保證反應(yīng)堆和一回路系統(tǒng)的正常運行。壓水堆核電廠一回路輔助系統(tǒng)按其功能劃分，有保證正常運行的系統(tǒng)和廢物處理系統(tǒng),部分系統(tǒng)同時作為專設(shè)安全設(shè)施系統(tǒng)的支持系統(tǒng)。專設(shè)安全設(shè)施為一些重大的事故提供必要的應(yīng)急冷卻措施，并防止放射性物質(zhì)的擴散。
二回路系統(tǒng)由汽輪機發(fā)電機組、冷凝器、凝結(jié)水泵、給水加熱器、除氧器、給水泵、蒸汽發(fā)生器、汽水分離再熱器等設(shè)備組成。蒸汽發(fā)生器的給水在蒸汽發(fā)生器吸收熱量變成高壓蒸汽，然后驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，作功后的乏汽在冷凝器內(nèi)冷凝成水，凝結(jié)水由凝結(jié)水泵輸送，經(jīng)低壓加熱器進入除氧器，除氧水由給水泵送入高壓加熱器加熱后重新返回蒸汽發(fā)生器，如此形成熱力循環(huán)。為了保證二回路系統(tǒng)的正常運行，二回路系統(tǒng)也設(shè)有一系列輔助系統(tǒng)。
循環(huán)水系統(tǒng)主要用來為冷凝器提供冷卻水。
我們看到，在壓水堆電廠，一回路系統(tǒng)的冷卻劑與汽輪機回路工質(zhì)是完全隔離的，這就是所謂的“間接循環(huán)”。采用間接循環(huán)具有使二回路系統(tǒng)免受放射性玷污的優(yōu)點，但它與采用直接循環(huán)的沸水堆核電廠（圖9）相比，增加了蒸汽發(fā)生器。壓水堆體積較小和控制要求簡單等因素可以彌補這一不足，并使這種系統(tǒng)設(shè)計在經(jīng)濟上具有競爭力。
發(fā)電機和輸配電系統(tǒng)的主要設(shè)備有發(fā)電機、勵磁機、主變壓器、廠用變壓器、啟動變壓器、高壓開關(guān)站和柴油發(fā)電機組等組成。其主要作用是將核電廠發(fā)出的電能向電網(wǎng)輸送,同時保證核電廠內(nèi)部設(shè)備的可靠供電。
發(fā)電機的出線電壓一般為22kV左右，經(jīng)變壓器升至外網(wǎng)電壓。為保證核電廠安全運行，核電廠至少與兩條不同方向的獨立電源相連接，以避免因雷擊、地震、颶風(fēng)或洪水等自然災(zāi)害可能造成的全廠斷電。
每臺發(fā)電機組的引出母線上，均接有兩臺廠用變壓器。為廠用電設(shè)備提供高壓電源。高壓廠用電系統(tǒng)一般為6kV左右。該高壓廠用電系統(tǒng)直接向核電廠大功率動力設(shè)備供電。對于小功率設(shè)備,經(jīng)
變壓器降壓后供給380/220V低壓電源。通常高壓廠用電系統(tǒng)分為工作母線和安全母線兩部分，高壓廠用電系統(tǒng)的工作母線，可以由外電網(wǎng)或發(fā)電機供電，高壓廠用電的安全母線，除外網(wǎng)和發(fā)電機外，還可由柴油發(fā)電機供電。
在電廠正常功率運行時，發(fā)電機發(fā)出的電能大部分經(jīng)主變壓器升壓至外網(wǎng)電壓輸送給用戶。同時，整個廠用設(shè)備的配電系統(tǒng)由發(fā)電機的引出母線經(jīng)廠用變壓器降壓后供電。當發(fā)電機停機時，則由外部電網(wǎng)經(jīng)啟動變壓器供電。當外網(wǎng)和發(fā)電機組都不能供電時，則由柴油發(fā)電機組向安全母線供電，以保證核電廠設(shè)備的安全。
輸配電系統(tǒng)的設(shè)計與機組容量、電網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境等密切相關(guān)，各核電廠設(shè)計會有較大差異，圖10所示為一般核電廠電氣系統(tǒng)示意圖。
將重原子的核裂變反應(yīng)和輕原子的聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的巨大能量不是用于武器而是用于發(fā)電等民用需求，稱為和平利用核能。
世界上已有許多國家加速利用核能。
核能的和平利用方式主要是核電廠，其他的還有船舶動力、核供熱和海水淡化等。下面以壓水堆核電廠為例，簡要介紹如何實現(xiàn)核能發(fā)電（如圖7所示）。
�。�2） 新的核燃料
談到核能，人們很容易想到鈾，介紹新的核能源的燃料，需要認識四種人們過去不熟悉的物質(zhì)，即氕、氘、氚和氦-3。
氕〈名〉[piē]
原子質(zhì)量為1的普通的輕氫同位素
氕是氫的同位素之一，符號H。質(zhì)量數(shù)1。它是氫的主要成分。
氘 [dāo]
氘，氫的同位素之一，符號D，其原子量為普通輕氫的二倍，少量的存在于天然水中，用于核反應(yīng),并在化學(xué)和生物學(xué)的研究工作中作示蹤原子。
氚〈名〉[chuān]
氫的放射性同位素,原子量為普通氫的三倍，半衰期12.5年，蛻變時放出β射線后形成質(zhì)量數(shù)為三的氦。用中子轟擊鋰可產(chǎn)生氚。
氚是氫的同位素之一，即“超重氫”。符號T，質(zhì)量數(shù)3。具有放射性。自然界中存在極微，從核反應(yīng)制得。主要用于熱核反應(yīng)。
3He氦-3
氦-3是氦的同位素，是一種地球上稀罕的物質(zhì)，在核聚變反應(yīng)中能釋放出巨大能量，幾乎不產(chǎn)生放射性污染，因而被稱為完美能源。
上述四種物質(zhì)中，氘、氚和氦-3可以作為核燃料。
�。�3） 新的核燃料的開發(fā)潛力和應(yīng)用前景
談到新的核燃料的開發(fā)潛力和應(yīng)用前景，可以這樣下結(jié)論：取之不盡，用之不竭，應(yīng)用前景廣闊。
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氘和氚在地球上蘊藏極其豐富，據(jù)測，每１升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚變產(chǎn)生的能量相當于300升汽油，這就是說，1升海水可產(chǎn)生相當于300升汽油的能量。一座100萬千瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304千克。
氘的發(fā)熱量相當于同等煤的2000萬倍，天然存在于海水中的氘有45億噸，把海水通過核聚變轉(zhuǎn)化為能源，按目前世界能源消耗水平，可供人類用上億年。鋰是核聚變實現(xiàn)純氘反應(yīng)的過渡性輔助“燃料”，地球上的鋰足夠用1萬年~2萬年，我國羌塘高原鋰礦儲量占世界的一半。
氚雖然在自然界中幾乎不存在，但它卻可以在聚變過程中通過鋰的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生，而地球上鋰的儲量非常豐富。
1公斤聚變?nèi)剂纤a(chǎn)生的能量相當于1000萬升石油產(chǎn)生的能量。由此推算，地球上氘和鋰的儲量足夠人類使用數(shù)百萬年。
地球上海水的總量，估計有13億7千萬立方公里，因此海水中氘的總貯存量，大約有25萬億噸，相當于5萬億億噸石油。假如將這么多石油放在地球上，可以使整個地球表面包上一層厚達1000公里的石油!
目前，美、英、俄、德、法、日等國都在競相開發(fā)核聚變發(fā)電廠，科學(xué)家們估計，到2025年以后，核聚變發(fā)電廠才有可能投入商業(yè)運營。2050年前后，受控核聚變發(fā)電將廣泛造福人類。
我國自行設(shè)計和研制的最大的受控核聚變實驗裝置“中國環(huán)流器一號”已在四川省樂山地區(qū)建成，并于1984年9月順利啟動，它標志著我國研究受控核聚變的實驗手段，又有了新的發(fā)展和提高，并將為人類探求新能源事業(yè)做出貢獻。美中兩國科學(xué)家分別于1993年和1994年在這個領(lǐng)域的研究和實驗中取得新成果。
2002年12月2日，標志著我國核聚變研究踏上新征程的核聚變研究裝置――中國環(huán)流器二號Ａ（HL-2A）裝置在位于四川成都的核工業(yè)西南物理研究院宣告建成并舉行了隆重的開機典禮。
圖11給出了中國的“人造太陽”裝置――“中國環(huán)流器二號Ａ”（簡稱“HL -2A”）。它是我國第一個具有偏濾器位形的托卡馬克裝置，其中央為一環(huán)形的真空室，外面纏繞著無數(shù)線圈，通電時其內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，它可以約束高溫（通常為上億攝氏度）高壓極端條件下的等離子體。該裝置的目的是探索利用磁約束原理來實現(xiàn)受控核聚變。
在最近的幾年里，我國科學(xué)家利用“HL -2A”取得了一系列成果。
2006年，“HL-2A”的運行參數(shù)達到等離子體電流430 kA，縱向磁場2.7 T，并實現(xiàn)了在高等離子體電流條件下連續(xù)23次的重復(fù)穩(wěn)定放電。這是繼“HL-2A”2003年成功實現(xiàn)偏濾器位形放電以來，我國核聚變裝置取得的又一重要成果。
2006年12月，通過利用兆瓦級電子回旋共振加熱等手段，“HL-2A”內(nèi)的等離子體電子溫度“躍升”到5 500萬攝氏度，朝核聚變裝置“點火”所需的上億攝氏度高溫邁進了一大步，成為迄今我國磁約束核聚變裝置達到的最高等離子體電子溫度，標志著我國磁約束核聚變研究躍上了一個新臺階。
2007年，“HL-2A”的物理實驗又取得了一批國際創(chuàng)新性的成果：在國際磁約束聚變研究領(lǐng)域，首次發(fā)現(xiàn)了自發(fā)產(chǎn)生的粒子輸運壘存在；首次觀測到與理論一致的準模結(jié)構(gòu)；首次證實低頻帶狀流的環(huán)向?qū)ΨQ性現(xiàn)象。這是我國科學(xué)家對磁約束聚變等離子體物理做出的新貢獻，表明我國在高溫等離子體輸運物理研究方面已步入國際前沿。
與此同時，中國西南物理研究院還自主研制了兆瓦級中性束加熱系統(tǒng)，并成功地應(yīng)用于“HL-2A”裝置的物理實驗；首次成功研發(fā)了國內(nèi)最大功率中性束離子源（單個離子源離子束功率達0.8兆瓦以上），填補了我國在大功率中性束加熱領(lǐng)域的工程技術(shù)空白，成為我國在核聚變關(guān)鍵工程技術(shù)方面的又一項重大技術(shù)突破。
中性束加熱是當今核聚變能源研究及未來聚變堆的主要加熱手段之一。大功率離子源是中性束加熱系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件。目前，只有日本和歐美等少數(shù)西方發(fā)達國家掌握了大功率離子源的研制技術(shù)。西南物理研究院“HL-2A”兆瓦級中性束系統(tǒng)的成功研制和應(yīng)用，標志著我國大功率中性束加熱技術(shù)取得了突破性進展，表明我國已具備開展中性束注入條件下聚變等離子體物理實驗研究的能力。這不僅極大地提升了我國核聚變的工程研制能力和實驗研究水平，也為我國未來聚變堆的自主研發(fā)和運行奠定了必備的工程技術(shù)基礎(chǔ)。
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氦-3的性能：
以3He為燃料的核聚變反應(yīng)比氘氚聚變更清潔，效益更高，而且與放射性的氘氚不同的是3He是一種惰性氣體，操作安全。獲得過諾貝爾獎金的科學(xué)家博格、美國總統(tǒng)軍備控制顧問保羅•尼采1991年曾撰文說，沒有其它能源能像3He那樣幾乎無污染。
3He的儲量：
在地球上氦-3的儲量僅有半噸，可在月球上卻蘊藏豐富，約有100萬噸~500萬噸，可滿足地球數(shù)千年的電力需要。
假如能實現(xiàn)以核聚變的能源原料發(fā)電，中國一年的發(fā)電量需要“氦-3”約為十噸，全世界一年的用量約一百多噸，可供人類近一萬年的能源需求。
美國核聚變技術(shù)專家認為，如果以石油價格為標準，每噸氦-3價值約40億美元，因此可以說，氦-3是月球上的“金礦”。
開發(fā)應(yīng)用計劃：
美國和俄羅斯都將開采月球上的氦-3作為未來太空開發(fā)計劃的重點。俄羅斯太空能源機構(gòu)稱，俄計劃于2015年在月球上建立氦-3開采基地，使用一次可攜帶25噸的太空拖船運回地球。雖然開采和運輸成本巨大，但據(jù)初步估算，在發(fā)電量相同的情況下，使用月球能源氦-3的成本只有目前核能成本的1/10。
獲取能源的方案：
獲取能源有兩種方案。
方案一：可以用航天飛機將氦-3運回地球，然后加以利用。如今的技術(shù)條件已經(jīng)足夠達到這一點。而星際開發(fā)的花費只是現(xiàn)在的核電站發(fā)電成本的1/10。
方案二：目前還在假設(shè)階段。不將氦-3運回地球，而是直接在月球上建立核能源基地，將電能傳輸?shù)届o止軌道上的中斷衛(wèi)星，再傳送到位于地球的接收站，然后分配到各個地區(qū)，供用戶使用。
3．我國發(fā)展新能源的優(yōu)勢和前景分析
中國是一個常規(guī)能源原料貧乏的國家（煤、石油、鈾等，但是中國是一個發(fā)展新能源占優(yōu)勢的國家。
太陽光伏：我國盛產(chǎn)硅，太陽能電池原料豐富。我國太陽能資源非常豐富，理論儲量達每年17000億噸標準煤。太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。我國地處北半球，南北距離和東西距離都在5000公里以上。在我國廣闊的土地上，有著豐富的太陽能資源。大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米４千瓦時以上，西藏日輻射量最高達每平米７千瓦時。年日照時數(shù)大于2000小時。與同緯度的其他國家相比，與美國相近，比歐洲、日本優(yōu)越得多，因而有巨大的開發(fā)潛能。
氘和氚：海中公共資源。我國有300多萬平方公里的領(lǐng)海，岸線長，從最北的遼寧鴨綠江口至最南的廣西北侖河口，總長18000多公里。如果加上6000多個島嶼與周圍海域形成的島嶼岸線14000公里，那么我國海岸線的總長度則超過32000公里，在世界各國中名列前茅。
氦-3：中國是一個航天大國，如果其他國家能從月球獲取氦-3，中國也已定能夠做到。
四、世界能源發(fā)展趨勢和各國政策導(dǎo)向
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人類進入21世紀以后，世界各國更加清醒地認識到化石能源燃料枯竭的危險性、溫室氣體的危害性和發(fā)展新能源的重要性。各國根據(jù)自身的國情，紛紛出臺政策，鼓勵和促進新能源的發(fā)展，并采取有力的保護和激勵措施。
1、美國
美國2005年8月公布的能源新法案（EPACT，2005）除了鼓勵美國本土的能源生產(chǎn)之外，從立法上提出了促進消費者節(jié)約能源，使用清潔能源的可行措施。新能源法案的重點是鼓勵企業(yè)使用可再生能源和無污染能源，并以減稅等措施，鼓勵企業(yè)、家庭和個人更多地使用節(jié)能和清潔能源產(chǎn)品。
2、英國
英國能源新政策的四大目標：
-鋪筑減碳之路：英國將走上減碳的道路，到2050年減少（當前水平的）60%的溫室氣體排放
-確保能源供應(yīng)的可靠性
-培育競爭性市場，提高生產(chǎn)力，促進經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展
-提供每一家庭充足和廉價的能源
2000年1月，英國制定了2010年可再生能源發(fā)電占英國電力總量10%的目標，而且電價應(yīng)是消費者能夠承受的。在白皮書中，英國政府又提出了2020年可再生能源發(fā)電達20％的目標。
3、德國
2000年4月德國聯(lián)邦議院正式通過了可再生能源法（KEL）。該法取消了對可再生能源發(fā)電的上限，并要求將可再生能源發(fā)電在所有供電公司按其總電力銷售量進行分配，確保沒有一個地區(qū)財政負擔(dān)過重�？稍偕茉捶ㄟ�要求運行輸電線路的公司支付與電力網(wǎng)連接的費用，消除電力公司以抬高聯(lián)網(wǎng)費用來阻礙風(fēng)能的開發(fā)。
該法案最重要的一點是，根據(jù)發(fā)電的實際成本，為每一種可再生能源發(fā)電技術(shù)確立了每kWh的特定支付金額。電力公司有資格參與該支付費用的確定，這是電力部門解除官方控制產(chǎn)生的一種變革。該法的實施對德國風(fēng)電的發(fā)展起到的非常重要的促進作用，2001～2005年間，德國風(fēng)力發(fā)電裝機容量年均增長20.9%，2005年達到18428MW，為全球最大的風(fēng)能市場。
4、法國
法國尤為重視核能的開發(fā)利用，2005年核電生產(chǎn)量占其電力生產(chǎn)量的份額高于78%。在其他新能源開發(fā)方面，法國制訂相應(yīng)的法規(guī)，重點實施加速發(fā)展生物能源的各項措施，力求到2010年實現(xiàn)將可再生能源產(chǎn)量提高50%的目標。
從2005年1月1日開始，法國政府對使用可再生能源生產(chǎn)能源的設(shè)備實施稅收抵免40%的政策，并在2006年將抵免幅度進一步提高到50%。與此同時，國家還制定了一系列的扶持計劃，其中包括國家電力公司和其他電力供應(yīng)公司不得拒絕收購企業(yè)利用可再生能源，尤其是風(fēng)能生產(chǎn)的電力等，并制定了在2010年，全國可再生能源生產(chǎn)應(yīng)占全國能源生產(chǎn)10%的目標。
5、日本
日本是一個陸地面積僅為37萬平方公里的小國，但卻是世界第四大能源消費國，第二大能源進口國。由于資源匱乏，日本的能源嚴重依賴進口，進口能源占能源消費總量的80%。特別在油氣資源方面，日本國內(nèi)產(chǎn)量幾乎為零，99%以上的石油都需要依賴進口，是世界第二大油氣消費和進口大國。
日本是世界上能源利用效率最高的國家之一。當年的能源利用率為中國的7倍，美國的2倍，為同等發(fā)達國家之首。
日本擁有核電站55座（2006年）之多，核能發(fā)電量占全國發(fā)電總量的1/3，是僅次于美國的世界第二大核電國家。
從2000年開始，日本太陽能光伏發(fā)電、太陽電池產(chǎn)量和出口量就已經(jīng)多年位居世界首位，約占世界的半壁江山。
日本大力發(fā)展清潔能源車，2000年底，共有清潔能源車6.2萬輛，其中電動車3800輛，混和車5萬輛，天然氣車7800輛，甲醇車1304輛。燃料供應(yīng)設(shè)施中，有54處充電站，556處天然氣加氣站，38處甲醇添加站。預(yù)計到2010年，潔凈能源車將達到348萬輛，比2000年增長50多倍。
日本汽車企業(yè)已基本將氫燃料電池視為未來汽車的主要替代能源，而豐田、本田等日本企業(yè)在氫燃料電池方面走在世界前列。2002年12月2日，豐田會長奧田碩將燃料電池車“FCHV”交給小泉，成交了世界第一單燃料電池車的生意。另外，日本政府最近制定出環(huán)保汽車的發(fā)展規(guī)劃，希望在2010年能夠有5萬輛燃料電池車在日本國內(nèi)行駛。日本運輸省及環(huán)保省的官員宣布：日本將盡量提升低污染汽車的使用率，即從當前全國的63萬輛包括雙動力引擎汽車和燃料電池汽車增至2010年的1000萬輛。
�。ǘ﹪鴥�(nèi)
為了促進可再生能源的開發(fā)利用，增加能源供應(yīng)，改善能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全，保護環(huán)境，實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展， 2005年2月28日，我國頒布了《中華人民共和國可再生能源法》，此后，各省紛紛出臺具體政策，鼓勵和促進新能源的開發(fā)和應(yīng)用。例如，為加強民用建筑節(jié)能管理，降低建筑物使用能耗，提高能源和資源的利用效率，9月20日起，甘肅省開始實施《甘肅省民用建筑節(jié)能管理規(guī)定》。根據(jù)此項規(guī)定，甘肅省將鼓勵單位和個人在不影響建筑物質(zhì)量、安全和城市景觀的前提下安裝使用太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能供熱采暖和制冷系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽能利用系統(tǒng)。建設(shè)單位未在設(shè)計或施工招標文件及相關(guān)合同中明確民用建筑節(jié)能技術(shù)要求和產(chǎn)品技術(shù)指標的，由縣級以上建設(shè)行政主管部門處以1萬元以上3萬元以下的罰款。
五、新能源的發(fā)展必然促進高校專業(yè)的發(fā)展
世界能源結(jié)構(gòu)和能源燃料的大幅度改變必然導(dǎo)致支撐技術(shù)和人才的新的需求，這包括需要在高校開設(shè)新的專業(yè)，或者已有專業(yè)擴展新的方向�，F(xiàn)在，僅就太陽能和核能的發(fā)展來看需要支撐的專業(yè)或技術(shù)。
（一）光伏技術(shù)
這是新興的技術(shù)，目前大學(xué)里沒有這個專業(yè)，人才非常缺乏，應(yīng)該在電氣工程與自動化專業(yè)中增設(shè)光伏技術(shù)方向，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)電氣工程與自動化專業(yè)的專業(yè)課程的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)太陽能發(fā)電原理、太陽能電池制造工藝等課程。
�。ǘ┖斯こ膛c核技術(shù)
這是教育部頒布的《全國普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》已有的專業(yè)，但是，全國只有極少數(shù)學(xué)校開設(shè)了此專業(yè)，隨著核能開發(fā)與應(yīng)用的發(fā)展，人才必然緊缺。
�。ㄈ┖教旒夹g(shù)、智能機器人技術(shù)
無論是在月球上開采氦-3，還是在月球上大面積地安裝太陽能光伏系統(tǒng)，都存在一個很大的問題，那就是誰去做這些事情。月球上沒有空氣，沒有水，人不可能長期呆在那兒，只有用機器人取代人，哪個國家擁有高智能的機器人和先進的航天技術(shù)，哪個國家就在向月球索取能源方面占有優(yōu)勢。因此，我國應(yīng)該大力發(fā)展智能機器人技術(shù)，大學(xué)應(yīng)該為培養(yǎng)這方面的人才做出貢獻。
�。ㄋ模┨柲芰哭D(zhuǎn)換新材料
2006年5月8日-12日，第四屆世界光伏能量轉(zhuǎn)換大會（The 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion -WCPEC）在美國夏威夷州庫納島舉行。會議預(yù)言，在2050年以后，光伏發(fā)電量將達到世界總發(fā)電量的50%以上。如果這個預(yù)言將來能成為現(xiàn)實，太陽能量轉(zhuǎn)換材料是至關(guān)重要的。目前，世界上大量使用的是硅材料，但是，目前世界上95％以上的太陽能生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品均為多晶硅電池，此項技術(shù)制作成本高，制作工藝復(fù)雜，且核心技術(shù)被少數(shù)幾個發(fā)達國家掌握，嚴重影響太陽能發(fā)電的大面積應(yīng)用。因此，基于硅材料的新的制造工藝的研究（如非晶硅薄膜光伏電池技術(shù)），基于其它材料的太陽能電池的研究（如染料敏化太陽電池）迫在眉睫，高校如果在這個方面積累技術(shù)力量，以物理、化學(xué)為基礎(chǔ)，開展光電轉(zhuǎn)換新材料的研究是非常必要的，培養(yǎng)人才，不僅向社會做出了貢獻，也會為自身形成特色。
�。ㄎ澹┘す饧夹g(shù)
激光技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，而從月球上索取能源，也離不開激光技術(shù)，利用激光技術(shù)，可以進行用于遠距離測量和探測稀有資源。
�。┳詣涌刂萍夹g(shù)
太陽能光伏系統(tǒng)和核能發(fā)電系統(tǒng)都離不開自動控制技術(shù)。
《2006年中國太陽級硅材料及硅太陽電池研討會》大會報告中，有人語言，到2020年全球光伏發(fā)電量將占總發(fā)電量的1.1%。到2040年占21-26%，在2050年以后，光伏發(fā)電量將達到世界總發(fā)電量的50%以上。要達到這個目標，需要實現(xiàn)一個巨大的工程，需要大批的工程技術(shù)人員，教育若不跟上這個形勢，人員將會奇缺。
2007年4月份國務(wù)院發(fā)布了關(guān)于核能發(fā)展的全球規(guī)劃，到2020年，我國的電力、核電裝機容量要達到4000萬千瓦。目前，中國核電只占整個的裝機容量的2．2％，世界平均值是16％，所以中國有廣闊的空間和發(fā)展的余地。
到2020年我國總裝機容量達到4000萬千瓦，必須具備30座百萬級千瓦的核電站，只占我們整個裝機容量的4％，因此大部分能源供給還是依靠化石原料，煤占了75％，新能源，包括核能在內(nèi)比例很小。如果我們要達到世界平均值16％，將要建立一批百萬級千瓦的核電站，技術(shù)人員同樣緊缺。
六、結(jié)束語
本文的目的是想引起投資者、教育界人士對能源發(fā)展動向的關(guān)注，共同促進新能源相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。文中如有不妥之處，敬請批評。本文引用網(wǎng)上諸多文章中的闡述和數(shù)據(jù)，在此向被引用文章的作者和網(wǎng)站表示感謝。
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[9] http：//www.省略 中國經(jīng)濟時報，發(fā)展核能前景廣闊，2008.
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