水裂變的機(jī)理的探討

栗河川劉君華栗廣林常榮仙

（1、西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊050400；2、華電石家莊熱電有限公司，河北 石家莊050041；3、華北制藥集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050041）

水在超高溫條件下可以裂變生成氫氣，美科學(xué)家似已認(rèn)定。他們?cè)谘芯棵呵鍧嵢紵倪^(guò)程中發(fā)現(xiàn)煤與蒸氣在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)，生成一種“合成氣”，其主要成分是一氧化碳和氫氣。于是美桑迪亞燃燒研究所（CRF）克里斯－塞迪克斯說(shuō)：“將來(lái)的某一天，我們可能會(huì)采取分裂水分子的方法來(lái)獲取氫氣”。澳新式太陽(yáng)能發(fā)電提高26%發(fā)電功率是水在超高溫條件下裂變生成氫氣燃燒放出熱量的原因。水在超高溫條件下分子內(nèi)的氫、氧原子急速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力≧向心力，氫、氧原子間的氫鍵自然斷裂，氫、氧原子變成——?dú)浜脱酰Q水裂變。氫遇火燃燒放出熱量生成水。水裂變熱值是15888.87 kj/kg，是標(biāo)準(zhǔn)煤熱值的0.54217倍。就是1噸水裂變生成的氫燃燒放出的熱量等于0.54217噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒放出的熱量，且為零排放。

一、水裂變的機(jī)理

水是氫、氧兩種元素由氫鍵連接而成的物質(zhì)H-O-H。水分子呈V型結(jié)構(gòu)，V型結(jié)構(gòu)使水分子正負(fù)電荷向兩端集中，一端為兩個(gè)H帶正電荷，一端為O帶負(fù)電荷，所以水是極性分子。極性使分子間產(chǎn)生氫鍵，并有多個(gè)水分子締合nH2O=(H2O)n.氫鍵的多少和水溫的高低成反比，O℃時(shí)全部水分子由氫鍵締合在一起稱冰。水溫升高分子動(dòng)能增大破壞分子間的氫鍵，冰熔化約有15%氫鍵斷裂，水溫升到72℃斷裂氫鍵達(dá)61%。水溫升到100℃氫鍵全部斷裂成為單分子的氣態(tài)水，單分子動(dòng)能增大，分子旋轉(zhuǎn)的速率加快，分子內(nèi)氫、氧原子的圓周運(yùn)動(dòng)速率也隨之加大，產(chǎn)生脫離旋轉(zhuǎn)中心的離心力也增大。若水溫繼續(xù)升高分子的旋轉(zhuǎn)速率繼續(xù)增大，分子內(nèi)氫、氧原子的圓周運(yùn)動(dòng)也加快，產(chǎn)生的離心力也隨之增大。①原子作圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力。由于分子旋轉(zhuǎn)速率加快，分子內(nèi)氫、氧原子的圓周運(yùn)動(dòng)也隨之加快，產(chǎn)生脫離旋轉(zhuǎn)中心的離心力也加大。②原子振動(dòng)產(chǎn)生的離心力。由于氫、氧原子振動(dòng)也產(chǎn)生離心力，溫度越高振動(dòng)頻率和振幅越大，氫、氧原子作用在氫鍵上的離心力也越大。又由于溫度越高氫鍵夾角越小、鍵長(zhǎng)越短，均加快了離心力的增大。①加②是氫、氧原子作用在氫鍵上的總離心力，氫鍵向心力不變。因?yàn)殡x心力的大小和水溫的高低成正比，水溫越高離心力越大，離心力和向心力之差越來(lái)越小，當(dāng)水溫升高到裂變溫度，離心力≧向心力氫鍵自然斷裂，氫、氧原子變成高能單質(zhì)——?dú)?、氧，稱水裂變。

二、水裂變產(chǎn)熱效益

氫遇火燃燒放出熱量生成水。①水裂變熱值 是指1kg20℃的水加熱到裂變溫度（1000℃）裂變生成的氫燃燒放出的熱量（111.111g*143kj/g）減去給水加熱的熱量(980*4.2kj/kg)。其熱值是11772.87kj/kg。②外熱與內(nèi)熱（熱能與動(dòng)能）的轉(zhuǎn)化 給1kg20℃的水加熱到裂變溫度需要4116kj的外熱，被水吸收轉(zhuǎn)化為內(nèi)熱（動(dòng)能）使氫、氧原子間的氫鍵斷裂，生成高動(dòng)能的氫、氧原子。根據(jù)能量最低原理，氫、氧原子必然放出4116kj的動(dòng)能（內(nèi)熱），變成穩(wěn)定的氫、氧分子。放出的4116kj內(nèi)熱量又成了加熱水的外熱量，使水繼續(xù)裂變?nèi)绱搜h(huán)不息。所以水裂變的實(shí)際熱值是 15888.87kj/kg，是標(biāo)準(zhǔn)煤熱值的0.54217倍。就是1KG水裂變生成的氫燃燒放出的熱量等于0.54217KG標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒放出的熱量，且為零排放。③高效零排。用100噸20℃水加熱至裂變溫度裂變，若每分鐘裂變10噸水，每天放出的熱量等于7807噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒放出的熱量，年產(chǎn)熱量等于284.9萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒放出的熱量，且為零排放。

三、水裂變也被美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)

美國(guó)科學(xué)家在研究煤清潔燃燒的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)煤與蒸氣在超高溫條件下發(fā)生反應(yīng)，生成一種“合成氣”，其主要成分是一氧化碳和氫氣。煤不含氫元素，氫氣必然來(lái)源于水，于是美桑迪亞燃燒研究所（CRF）克里斯－塞迪克斯說(shuō)：“將來(lái)的某一天，我們可能會(huì)采取分裂水分子的方法來(lái)獲取氫氣，可在核反應(yīng)器中高溫高壓的條件下進(jìn)行”。這說(shuō)明他們?cè)诳蒲兄幸舶l(fā)現(xiàn)在超高溫條件下水可以分裂生成氫氣。但是他們并不知道水生成氫氣的機(jī)理。這正是水裂變的結(jié)果，是水在超高溫條件下分子內(nèi)氫、氧原子間的氫鍵自然斷裂生成的氫氣。

四、水裂變?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用

（一）水煉鋼水裂變應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中最早的是中國(guó)。早在上世紀(jì)七十年代初有一部新聞?dòng)涗浧?，記錄了鞍鋼人用水煉鋼的真?shí)過(guò)程。當(dāng)向熊熊燃燒的煉鋼爐內(nèi)噴入少量冷水時(shí)，瞬間火焰增大并從爐門向外噴出，這種現(xiàn)象是水裂變現(xiàn)象。是水遇燃燒的火氣化，氣態(tài)水遇燃燒的火激化吸收大量熱量迫使氫、氧原子間的氫鍵異常斷裂生成氫燃燒的結(jié)果。氫燃燒放出的熱量少于裂變吸收的熱量是耗熱過(guò)程。這是鞍鋼人根據(jù)生活中的水裂變現(xiàn)象，首次把水裂變應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去的最早嘗試。因?yàn)樗麄冎豢吹綒淙紵够鹧嬖龃蟮谋砻娆F(xiàn)象，卻不知道水裂變要吸收熱量。吸收的熱量多于氫燃燒放出的熱量，加上水氣化也要吸收熱量，結(jié)果熱量減少爐溫下降而失敗。這是人類對(duì)水裂變的感性認(rèn)識(shí)階段。

（二）太陽(yáng)能發(fā)電 是指澳大利亞新式太陽(yáng)能發(fā)電裝置，它是由200個(gè)大鏡子和一個(gè)鐵塔組成。鏡子將反射的太陽(yáng)光集中在一起，溫度高達(dá)1000℃以上。在鐵塔里產(chǎn)生的熱量和天然氣、水進(jìn)行復(fù)雜結(jié)合。發(fā)電功率提高26%。太陽(yáng)能發(fā)電為什么能提高26%發(fā)電功率？它是水裂變的結(jié)果。太陽(yáng)能發(fā)電提高26%發(fā)電功率的熱量是從哪里來(lái)的？①太陽(yáng)能發(fā)電熱量來(lái)源于三部分：太陽(yáng)能是已知的設(shè)為A。天然氣燃燒放出的熱量也是已知的設(shè)為B。三是水，提高26%發(fā)電功率必然是水轉(zhuǎn)化生成的設(shè)為 C。即：A+B+C＝A+B+26%（A+B）即C=26%（A+B），A為太陽(yáng)能不參于燃燒故不討論。寫成：C=26%B。從而看出是天然氣的熱量B增加26%，才提高26%發(fā)電功率。②這26%天然氣熱量是怎樣增加的？是鐵塔里超高溫水，遇火裂變生成氫和氧并吸收熱量。設(shè)吸收的熱量為D。氫燃燒放出的熱量為E。氧使天然氣充分燃燒多放出的熱量為F。因?yàn)槭窃黾?6%天然氣熱量，所以鐵塔里的水溫就必然等于或高于裂變無(wú)效溫度。若在裂變無(wú)效溫度時(shí)裂變D+E=0，即C=26%B=D+E+F=F。所以說(shuō)增加26%天然氣熱量,是水裂變生成的氧使天然氣充分燃燒多放出的那部分熱量F。③天然氣充分燃燒能增加26%熱量嗎？如果不能，這26%熱量中必然含有另一種熱量。只有當(dāng)裂變水溫在裂變無(wú)效溫度以上，裂變吸收的熱量D少于氫燃燒放出的熱量E，即（D+E）＞O。所以說(shuō)這26%熱量是F和E的一部分。④什么是裂變無(wú)效溫度？裂變無(wú)效溫度，是指裂變吸收的熱量D等于裂變生成的氫燃燒放出的熱量E。即D+E=O，裂變前后的熱量不變。⑤裂變無(wú)效溫度是多少？裂變無(wú)效溫度最低在600℃以上。根據(jù)發(fā)電鍋爐里的最高水溫是600℃。當(dāng)發(fā)電鍋漏氣時(shí)，600℃的水氣漏入1500℃±的爐內(nèi)發(fā)生裂變，仍可使?fàn)t溫下降，被迫停爐檢修。說(shuō)明600℃的水裂變其熱量仍然是（D+E+F）＜O。證明裂變無(wú)效溫度,遠(yuǎn)高于600℃甚至700℃-800℃或更高。⑥太陽(yáng)能發(fā)電的裂變水溫是多少？它在裂變無(wú)效溫度與裂變溫度之間。若到了裂變溫度，裂變不再吸收熱量，即D=O。裂變后的熱量是E+F，提高的發(fā)電功率會(huì)更多，甚至停供天然氣，也能繼續(xù)發(fā)電。實(shí)際上太陽(yáng)能發(fā)電僅僅提高26%發(fā)電功率。所以說(shuō)太陽(yáng)能發(fā)電的裂變水溫，在裂變無(wú)效溫度與裂變溫度之間。⑦怎樣提高太陽(yáng)能發(fā)電功率？要提高太陽(yáng)能發(fā)電功率，必須提高鐵塔里的水溫以減少裂變D值。若裂變水溫提高到裂變溫度，裂變不再吸收熱能，裂變生成的氫燃燒放出熱能，即使停用天然氣，照樣可以繼續(xù)發(fā)電。那就實(shí)現(xiàn)了水裂變發(fā)電。

（三）“氣化燃燒法”是美煤清潔燃燒方法中的主要方法，其中有一種被稱為“蒸氣重組”的方法，使煤與蒸氣在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)，生成一種“合成氣”，其主要成分是一氧化碳和氫氣。它是當(dāng)代煤清潔燃燒的最新技術(shù)，它在高效能低污染方面有更卓越的表現(xiàn)。①他們使煤與蒸氣在超高溫條件下發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果熱量增加排放減少，這正是在超高溫條件下水裂變生成的氫和氧參與燃燒的結(jié)果。說(shuō)明他們的設(shè)備裝置已能把水蒸氣的溫度升高到裂變無(wú)效溫度以上，裂變吸收的熱量少于氫燃燒放出的熱量，氧使煤充分燃燒又多放出熱量，其結(jié)果必然熱量增加排放減少。②他們又發(fā)現(xiàn)氣體中有氫氣。煤不含氫元素，水是由氫、氧元素組成的，所以氫氣必然來(lái)源于水，于是他們高喊：“我們可能會(huì)采取分裂水分子的方法來(lái)獲取氫氣，可在核反應(yīng)器中高溫高壓的條件下進(jìn)行”。他們發(fā)現(xiàn)氫氣，說(shuō)明他們的設(shè)備裝置已把蒸氣溫度提高到接近裂變溫度，水分子內(nèi)的氫、氧原子急速旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)，產(chǎn)生的作用在氫鍵上的離心力已接近氫鍵向心力，氫、氧原子間的部分氫鍵開(kāi)始斷裂生成氫氣。③他們又說(shuō)：“可在核反應(yīng)器中高溫高壓的條件下進(jìn)行”。又說(shuō)明他們也認(rèn)識(shí)到：只有在超高溫條件下才能從水中獲取氫氣。④如果他們能繼續(xù)提高蒸氣溫度，把蒸氣溫度提高到裂變溫度，他們就可以停止煤的供給，只給等于或高于裂變溫度的蒸氣，就能繼續(xù)放出熱量，而無(wú)任何排放。那時(shí)他們就是成功地使用了水裂變能源供熱了。

五、水裂變?cè)谕话l(fā)事故中的破壞作用

水裂變可以造福于人類，也可在特異的情況下起破壞作用。如日本福島核電站氫氣爆炸，其氫氣的來(lái)源說(shuō)法不一，我們認(rèn)為是水裂變生成的氫氣。由于地震→反應(yīng)堆自動(dòng)停止運(yùn)行→供電系統(tǒng)出現(xiàn)障礙→冷卻系統(tǒng)和應(yīng)急冷卻系統(tǒng)失靈→余熱無(wú)法排出→堆芯溫度增高→水溫升高產(chǎn)生蒸汽壓力容器壓力增大。而衰變熱繼續(xù)放出，導(dǎo)致核燃料熔化。部分蒸汽外泄，使安全殼里面的蒸汽壓力升高超過(guò)設(shè)計(jì)壓力的1.5倍以上。而安全殼內(nèi)的壓力仍繼續(xù)升高，水（蒸氣）的溫度也繼續(xù)升高，當(dāng)水的溫度升高到≧裂變溫度時(shí)，作用在氫鍵上的離心力≧向心力，氫鍵自然斷裂，水分子內(nèi)的氫、氧原子失去了氫鍵的制約，變成另兩種動(dòng)能極高的單質(zhì)——?dú)浜脱踉樱潴w積再增，安全殼內(nèi)的壓力再增加。根據(jù)能量最低原理，極高動(dòng)能的氫、氧原子必然放出大量熱能變成穩(wěn)定的氫、氧分子，使安全殼內(nèi)的溫度再度升高，水裂變繼續(xù)進(jìn)行，生成大量的氫和氧，壓力繼續(xù)升高，當(dāng)安全殼內(nèi)的壓力超過(guò)安全殼壁的抗壓能力的極限時(shí)，必然發(fā)生安全殼頂壁部（最簿）地物理性爆破。因?yàn)榘踩珰だ锏臍怏w含有空氣、氫氣、氧氣等，但并不是混合氣體。由于氣體的重量不同其分布也必然不同，氫氣最輕浮在頂部，氧氣較重沉在底部，中間是空氣把氫氣和氧氣隔開(kāi)。因頂部的爆破產(chǎn)生巨大的沖擊波首先引發(fā)氫的爆炸，再引發(fā)底部的氧連鎖爆炸，但均屬于化學(xué)爆炸。這也從另一個(gè)角度證明了水在超高溫條件下裂變成氫、氧的必然規(guī)律。

六、水裂變應(yīng)急速開(kāi)發(fā)利用

美科學(xué)家在煤清潔燃燒的實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)了水裂變，澳科學(xué)家在太陽(yáng)能發(fā)電中受益了水裂變，說(shuō)明水裂變有極大地實(shí)用價(jià)值。如果我們能把發(fā)電鍋爐加以改造，使發(fā)電鍋爐的材料能夠耐受高壓高溫水的性能。把鍋爐里的水溫提高到裂變無(wú)效溫度甚至裂變溫度，水裂變就能作為能源應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去。相信不久的一天，發(fā)電鍋爐里的水溫一定能夠達(dá)到裂變無(wú)效溫度甚至裂變溫度。那時(shí)水裂變就能應(yīng)用到發(fā)電鍋爐、煉鋼爐及輪船、軍艦和潛水艇等方面。若把氫氣壓縮儲(chǔ)存，還可以用在汽車、飛機(jī)等方面。那就到了最優(yōu)質(zhì)、最豐富、最廉價(jià)、最環(huán)保、最理想的水裂變能源時(shí)代了。

水是氫和氧元素由氫鍵結(jié)合起來(lái)的物質(zhì)。①O℃時(shí)全部水分子由氫鍵締合在一起稱冰。②100℃時(shí)分子間的氫鍵斷裂成為單分子的氣態(tài)水稱氣化。③1000℃時(shí)原子間的氫鍵自然斷裂生成氫和氧稱水裂變。④氫遇火燃燒放出熱量生成水，是氫鍵又把氫、氧結(jié)合起來(lái)了。⑤氫、氧與氫鍵、熱量三者的關(guān)系：氫鍵可把氫、氧元素結(jié)合起來(lái)生成水，氫鍵的多少?zèng)Q定水的三態(tài)變化。熱量又制約氫鍵，熱量越多氫鍵越少，熱量可把氫鍵全部斷裂水就變成了氫和氧。三者是相生相克、相互依存、轉(zhuǎn)化消長(zhǎng)的關(guān)系。⑥我們理性地認(rèn)識(shí)了水裂變，就可以隨意地把水變成氫，把氫變成水，放出熱量，為人類服務(wù)。

[1]栗河川，栗廣林，等.水裂變?nèi)紵臋C(jī)理http://www.csnyw.cn/view.php?articleid=1456[Z].

[2]栗河川，栗廣林，等.水裂變http://www.inen.com/newenergy/html/newenergy -1131113180586149.html[Z].

[3]栗河川，栗廣林，等.水裂變能源[J].中國(guó)教育教學(xué)雜志，2010， 22（183）： 24697.

[4]水和水分子結(jié)構(gòu)的特異性http://www.kongfen.cn/Article/cn_bookviw.asp?id=748[Z].

[5]氫原子為什么要結(jié)合成氫分子http://iask.sina.com.cn/b/13205385.html[Z].

[6]美研究煤清潔燃燒氫能的產(chǎn)能效益 http://www.sp.com.cn/kpzl/xnyfd/200604/t20060412_28231.htm[Z].

[7]澳大利亞科學(xué)家開(kāi)發(fā)新式太陽(yáng)能發(fā)電裝置http://www.cctv.com/news/xwlb/20060413[