【正文】 成本低 、 易于大規(guī)模生產(chǎn) 。 ? IIIV族化合物包括 GaAs和 InP等， 可制成薄膜太陽電池 ， 轉(zhuǎn)換效率高 、 抗輻照性能好 ， 是較理想的空間太陽電池 。 太空站上的 GaAs太陽電池 高原用的 GdTe太陽電池 89 ? CdTe太陽電池 是以 CdTe為吸收層 、 CdS為窗口層的半導(dǎo)體電池 ， 開路電壓 ， 理論轉(zhuǎn)換效率 27％ ；目前小面積 CdTe電池轉(zhuǎn)換效率已達(dá) 16％ ， 大面積組件已達(dá) ％ 。 ? GaAs是 IIIV族化合物 ， 帶隙為 ， 接近太陽電池所需的最佳帶隙 ， 具有高的轉(zhuǎn)換效率 ， 單結(jié) GaAs太陽電池的理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá) ％ ； GaAs太陽電池轉(zhuǎn)換效率隨溫度變化下降不大 ， 耐輻照性能好 ，適合做空間太陽電池 。 90 納米太陽電池 ? 納米太陽電池 (簡稱 NPC電池 )是一種由 鍍有透明導(dǎo)電膜的導(dǎo)電玻璃 、 多孔納米 TiO2或 PbxLa1xTiO3(簡稱PLT)膜 、 染料光敏化劑 、 固體電解質(zhì)膜以及鉑電極組成的一種光電化學(xué)式電池 。 納米太陽電池的結(jié)構(gòu) 91 ? 納米太陽電池工作原理： ?TiO2帶隙 ， 可見光不能將它激發(fā) ， 在 TiO2表面吸附染料光敏化劑 ， 通過染料分子與可見光相互作用 ， 電子躍遷到 TiO2導(dǎo)帶并進(jìn)入電極 ， 最后通過外電路產(chǎn)生光電流 。 ?TiO2膜通常制成海綿狀納米多孔膜 ， 以保證 TiO2膜具有較大的比表面積 ， 產(chǎn)生較高的光吸收效率 。 ?染料光敏化劑一般選用羧酸多吡啶釕 、 磷酸多吡啶釕 、 多核聯(lián)吡啶釕等金屬有機染料 ， 化學(xué)穩(wěn)定性高 ， 激發(fā)態(tài)壽命長 ， 發(fā)光性能好 。 92 ? 中國尚德電力和澳大利亞斯威本科技大學(xué) 已研制出最高效的寬波段納米薄膜太陽電池 ， 光電轉(zhuǎn)化效率為 %。 ?為捕獲更多太陽光 ， 將 金 /銀納米粒子 嵌入薄膜中 ， 增加電池可吸收太陽光的波長范圍 ， 提高光子轉(zhuǎn)化電子效率； ?進(jìn)一步使用 有核的或表面凹凸不平的納米粒子 ， 大幅提高薄膜的比表面積 。 Xi Chen, Baohua Jia, et al, Broadband Enhancement in ThinFilm Amorphous Silicon Solar Cells Enabled by Nucleated Silver Nanoparticles, nano letters, | Nano Lett 93 核能材料 94 ? 核能被公認(rèn)是能大規(guī)模取代常規(guī)能源的替代能源 。 ? 經(jīng)過幾十年的利用和發(fā)展，世界上已有 441座核電機組在運行， 核電站裝機容量已達(dá)到 kW。 ? 世界能源消費結(jié)構(gòu)如下表所示，由此可知世界能源的消費結(jié)構(gòu)也正向核能方向傾斜。 世界能源消耗結(jié)構(gòu)預(yù)測 年代 石油 天然氣 煤 核能 水電 其他 1975 2023 2030 95 ? 我國 能源缺口在很大程度上依靠核能補充 。 ? 煤和石油的燃燒造成嚴(yán)重環(huán)境污染 ， 我國許多城市污染物濃度達(dá)到世界前列 。 ? 在我國發(fā)展核電事業(yè)具有重要意義 。 廣東大亞灣核電站 浙江秦山核電站 96 97 98 裂變反應(yīng)堆材料 ? 鈾 235或钚 239等重元素的原子核吸收一個中子后發(fā)生裂變 ， 分裂成兩個質(zhì)量大致相同的新原子核 ， 同時放出 23個中子 。 這些新生中子又引起其它鈾 235或钚239原子核裂變 ， 產(chǎn)生 鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng) 。 能量射線射線激發(fā)態(tài)中子 ??????? γβKrBaU)(nU 93140236235核裂變示意圖 99 ? 裂變能十分巨大 ：鈾 235原子每次裂變放出約 200keV的能量，一個碳原子燃燒時放出的能量為 ，鈾的裂變能是碳燃燒釋能的 。 ? 實現(xiàn)裂變反應(yīng)的裝置稱為裂變反應(yīng)堆 。 熱中子反應(yīng)堆 100 ? 裂變堆的 堆芯處于很強的核輻射中 ， 具有各種嚴(yán)重的輻照效應(yīng) ， 對材料有特殊的性能要求 。 堆芯材料主要有： ?燃料組件用材料：包括燃料元件芯體材料 、 燃料元件包殼材料 、 控制棒材料等； ?慢化劑材料； ?冷卻劑材料； ?控制材料：包括控制棒芯體 (中子吸收體 )材料 、 控制棒包殼材料和液體控制材料； ?反射層材料； ?屏蔽材料； ?反應(yīng)堆容器材料 。 101 ? 核燃料是含有易裂變核素 (鈾 23 鈾 23 钚 239中任一種 )的金屬或陶瓷 ， 作為燃料元件 (棒 )的芯體 ，通常做成圓柱狀 、 板狀或粒狀 。 核燃料芯體 102 ? 如果核燃料與冷卻劑直接接觸 ， 裂變產(chǎn)生的強放射性產(chǎn)物會進(jìn)入冷卻劑 ， 嚴(yán)重污染系統(tǒng) ， 必須用包殼材料對燃料進(jìn)行包覆 ， 如鋯合金和鎂合金等 。 ? 熱中子反應(yīng)堆內(nèi)的中子需要慢化， 選用質(zhì)量數(shù)接近中子的輕原子核，核的中子散射截面要大，吸收截面要小 。 熱中子反應(yīng)堆一般用輕水、重水、鈹、石墨等作慢化劑材料 。 103 ? 對反應(yīng)堆的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)進(jìn)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 、AgInCd合金 、 Hf等 。 ? Hf與反應(yīng)堆冷卻劑的相容性很好 ， 可直接用裸露的金屬 Hf作為控制棒； ? 其它控制材料都要一個能耐冷卻劑腐蝕的包殼管 ，常用不銹鋼 。 反應(yīng)堆控制棒 反應(yīng)堆控制棒的包殼結(jié)構(gòu) 104 ? 反應(yīng)堆冷卻劑是載熱性能良好的流體 。 在熱中子堆中不能過多吸收中子 ， 在快中子堆中不能過多慢化中子；另外 ， 冷卻劑流經(jīng)強輻射堆芯 ， 要考慮輻射是否會引起分解： 熱中子堆常用輕水 、 重水 、 CO He；快中子反應(yīng)堆則用液態(tài)金屬鈉 。 ? 為防止堆芯中子泄漏 ， 堆芯周圍設(shè)置反射層 ， 盡可能將泄漏中子反射回堆芯 。 反射層要求中子散射截面大 ， 中子吸收截面盡量小 ， 如 Be塊 、 石墨塊等 ，也可液體充注堆芯周圍反射中子 ， 如水兼作慢化劑、 冷卻劑和反射層 。 105 ? 屏蔽材料依據(jù)核輻射特性有所不同： 屏蔽 γ射線要用高密度固體 ， 如鉛 、 重混凝土等；屏蔽熱中子用熱中子吸收材料 ， 如硼鋼 、 B4C/Al復(fù)合材料等 。 ? 反應(yīng)堆容器是反應(yīng)堆的一道安全屏障 ， 必須十分可靠 。 對于熱中子堆 ， 冷卻劑壓力很高 ， 容器還受到高能中子照射 ， 必須考慮輻照脆性 ， 一般采用高強度鋼 ， 如 A508。 106 核能飛船 漫游者一號探測火星 俄臺風(fēng)級核潛艇 美喬治布什號核動力航空母艦 107 聚變堆材料 ? 兩個輕原子核融合形成重原子核 ， 叫做 核聚變 ， 同時放出更大的能量 。 ? 要使兩個核融合發(fā)生聚變反應(yīng) ， 須克服它們間的靜電斥力 ， 可用 “ 受約束的高溫等離子體 ” 方案來實現(xiàn) 。 核聚變原理示意圖 氫彈爆炸場景 受控?zé)岷司圩冄b置 108 ? 聚變材料主要有以下幾種： ? 聚變核燃料 ： 主要是氘和氚 。 ? 氘增值材料 ：有一定的氘增殖能力 ， 化學(xué)穩(wěn)定性好， 與第一壁結(jié)構(gòu)和冷卻劑有好的相容性 ， 一般選用與中子反應(yīng)生成氘的材料 ， 如 AlLi合金 、 Li2O、 偏鋁酸鋰 (LiAlO2)、 偏鋯酸鋰 (LiZrO2)等 ， 還有液態(tài)鋰鉛合金等 。 ? 中子倍增材料： 主要是鈹 (Be)、 鉛 (Pb)、 鉍 (Bi)和鋯(Zr)及含有這些元素的化合物或合金 ， 如 Zr3PbPbO和 PbBi合金等 。 109 ? 第一壁材料 ；第一壁是聚變裝置包容等離子體區(qū)和真空區(qū)的部件 ， 它與周圍氘增值區(qū)結(jié)構(gòu)緊密相連 。第一壁經(jīng)受很強的高能中子和聚變反應(yīng)生成的高能氦的轟擊 ， 輻照效應(yīng)很嚴(yán)重 。 ?第一壁覆蓋材料 ：選擇與等離子體相容作用性好的材料， 如 鈹 、 石墨 、 碳化硅以及碳 /碳 、 碳 /碳化硅纖維強化復(fù)合材料 。 ?第一壁結(jié)構(gòu)材料： 在高溫 、 高中子負(fù)荷下有合適的工作壽命 ， 如 奧氏體不銹鋼 、 鐵素體不銹鋼 、 釩 、 鈦 、 鈮 、鉬等合金 。 謝謝觀看 /歡迎下載 BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAIT