现代新型材料与纳米材料新能源材料.ppt

* CdTe太阳电池是以CdTe为吸收层、CdS为窗口层的半导体电池，开路电压1.05V，理论转换效率27％；目前小面积CdTe电池转换效率已达16％，大面积组件已达10.1％。 GaAs是III-V族化合物，带隙为1.42eV，接近太阳电池所需的最佳带隙，具有高的转换效率，单结GaAs太阳电池的理论转换效率可达26.2％；GaAs太阳电池转换效率随温度变化下降不大，耐辐照性能好，适合做空间太阳电池。 * 纳米太阳电池 纳米太阳电池(简称NPC电池)是一种由镀有透明导电膜的导电玻璃、多孔纳米TiO2或PbxLa1-xTiO3(简称PLT)膜、染料光敏化剂、固体电解质膜以及铂电极组成的一种光电化学式电池。 纳米太阳电池的结构 * 纳米太阳电池工作原理： TiO2带隙3.2eV，可见光不能将它激发，在TiO2表面吸附染料光敏化剂，通过染料分子与可见光相互作用，电子跃迁到TiO2导带并进入电极，最后通过外电路产生光电流。 TiO2膜通常制成海绵状纳米多孔膜，以保证TiO2膜具有较大的比表面积，产生较高的光吸收效率。 染料光敏化剂一般选用羧酸多吡啶钌、磷酸多吡啶钌、多核联吡啶钌等金属有机染料，化学稳定性高，激发态寿命长，发光性能好。 * 核能材料 * 核能被公认是能大规模取代常规能源的替代能源。 经过几十年的利用和发展，世界上已有441座核电机组在运行，核电站装机容量已达到3.68亿kW。 世界能源消费结构如下表所示，由此可知世界能源的消费结构也正向核能方向倾斜。 世界能源消耗结构预测 年代 石油 天然气 煤 核能 水电 其他 1975 44.0 18.4 27.6 1.5 6.5 2.0 2000 35.0 18.6 29.4 10.2 5.0 1.8 2030 19.1 17.0 33.5 22.6 4.0 3.8 * 裂变反应堆材料 铀235或钚239等重元素的原子核吸收一个中子后发生裂变，分裂成两个质量大致相同的新原子核，同时放出2-3个中子。这些新生中子又引起其它铀235或钚239原子核裂变，产生链式裂变反应。 核裂变示意图 * 裂变能十分巨大：铀235原子每次裂变放出约200keV的能量，一个碳原子燃烧时放出的能量为4.1eV，铀的裂变能是碳燃烧释能的4.878万倍。 实现裂变反应的装置称为裂变反应堆。 热中子反应堆 * 裂变堆的堆芯处于很强的核辐射中，具有各种严重的辐照效应，对材料有特殊的性能要求。堆芯材料主要有： 燃料组件用材料：包括燃料元件芯体材料、燃料元件包壳材料、控制棒材料等； 慢化剂材料； 冷却剂材料； 控制材料：包括控制棒芯体(中子吸收体)材料、控制棒包壳材料和液体控制材料； 反射层材料； 屏蔽材料； 反应堆容器材料。 * 核燃料是含有易裂变核素(铀235、铀233、钚239中任一种)的金属或陶瓷，作为燃料元件(棒)的芯体，通常做成圆柱状、板状或粒状。 核燃料芯体 * 如果核燃料与冷却剂直接接触，裂变产生的强放射性产物会进入冷却剂，严重污染系统，必须用包壳材料对燃料进行包覆，如锆合金和镁合金等。 热中子反应堆内的中子需要慢化，选用质量数接近中子的轻原子核，核的中子散射截面要大，吸收截面要小。热中子反应堆一般用轻水、重水、铍、石墨等作慢化剂材料。 * 对反应堆的链式裂变反应进行控制通常是容易吸收中子的材料，常用控制材料如B4C、硼硅酸玻璃、Ag-In-Cd合金、Hf等。 Hf与反应堆冷却剂的相容性很好，可直接用裸露的金属Hf作为控制棒； 其它控制材料都要一个能耐冷却剂腐蚀的包壳管，常用不锈钢。 反应堆控制棒 反应堆控制棒的包壳结构 * 反应堆冷却剂是载热性能良好的流体。在热中子堆中不能过多吸收中子，在快中子堆中不能过多慢化中子；另外，冷却剂流经强辐射堆芯，要考虑辐射是否会引起分解：热中子堆常用轻水、重水、CO2、He；快中子反应堆则用液态金属钠。 为防止堆芯中子泄漏，堆芯周围设置反射层，尽可能将泄漏中子反射回堆芯。反射层要求中子散射截面大，中子吸收截面尽量小，如Be块、石墨块等，也可液体充注堆芯周围反射中子，如水兼作慢化剂、冷却剂和反射层。 * 屏蔽材料依据核辐射特性有所不同：屏蔽γ射线要用高密度固体，如铅、重混凝土等；屏蔽热中子用热中子吸收材料，如硼钢、B4C/Al复合材料等。 反应堆容器是反应堆的一道安全屏障，必须十分可靠。对于热中子堆，冷却剂压力很高，容器还受到高能中子照射，必须考虑辐照脆性，一般采用高强度钢，如A-508。 * 聚变堆材料 两个轻原子核融合形成重原子核，叫做核聚变，同时放出更大的能量。 要使两个核融合发生聚变反应，须克服它们间的静电斥力，可用“受约束的高温等离子体”方案来实现。 核聚变原理示意图 氢弹爆炸场景 受控热核聚变装置 * 聚变材料主要有以下几种： 聚变核燃料：主要是氘和氚。