1.增殖堆用核材料

快中子的增殖堆可以利用238U，它在运行时还可增产出一定量的可裂变材料，其理论增殖比（即产生的核燃料与消耗的核燃料的比值）最高可达1.5。采用增殖堆可使铀资源的利用率提高60～70倍，并可以利用大量的钍资源。它可望在21世纪核能发展中起主要作用。

快中子反应堆的原理及基础技术已经解决，在原苏联、美国、日本及欧洲都已建立了试验堆。快堆堆芯功率密度高，工作温度达500～600℃；铀钚氧化物核燃料的燃耗可达130000MW·d/t以上，而铀—钚—锆三元金属燃料已超过185000MW·d/t，燃料元件的包壳及快堆的结构材料所受辐射剂量比热中子堆高一个数量级。一般采用316型不锈钢，要求其延伸率≥25%，但由于辐射作用产生氢脆及氦脆而使其延伸率大幅度降低。解决的办法是在合金中加入Ti元素使碳化物分散，从而使气泡不至大量集聚；或者减小氮含量使中子引起的产氦量减少。但这两种办法都降低了钢的强度，有不利的一面。此外为了从堆芯快速导出热能，快堆一般采用液态金属高效冷却剂如钠或其它合金。但是它对管道材料腐蚀严重。当钠中氧含量高时，短时间运行就使铬镍不锈钢（18%Cr—8%Ni）遭到严重的腐蚀及脆化（延伸率降到0～4%）。此外，如中子反射层、屏蔽材料，各种容器及管道都要在苛刻条件下长期工作，又要考虑降低建堆成本，因此材料的改进具有重大意义。

2.聚变堆材料

以轻核聚变反应为基础的聚变堆电站是解决人类长远能源问题的希望所在。它以自然界大量存在的轻元素如：氘、氚、氦、锂等为“燃料”，可以提供实际上难以穷尽的能源。受控核聚变经过长期研究已取得很大进展。另外一种设想是建造聚变—裂变混合堆，它对聚变堆芯的要求较低，比较容易实现。它可利用聚变反应提供的14MeV高能中子在包层中倍增能量、生产聚变燃料氚和使238U或232Th转化为可裂变燃料。它比快堆增殖燃料能力高几倍到十几倍。

建造聚变堆除尚有物理问题须解决外，工程材料问题是最关键的。它的运行条件与裂变堆有很大的差别，等离子体中心温度要上亿度，虽然有磁场约束，靠近等离子体的第一壁壁面温度也达到800～1800℃，还会经受很强的高能中子轰击，估计最大热能量及中子通量都可达～10MW/m2量级。这种环境一般材料是难以承受的，许多要求对于材料科学也是无先例可循的。在聚变堆研究之初即同时开展了大规模的材料研究，包括第一壁材料、冷却剂及氚增殖材料，等离子体与表面的相互作用、抗辐照超导磁体和约缘材料、半导体材料辐照效应等。例如面对等离子体的第一壁的结构材料表面要涂以低原子序数涂层如C、Be、TiC、SiC、B4C等，以避免高Z杂质进入等离子体。结构材料要抗辐照、抗液态金属腐蚀。已研究的有奥氏体不锈钢、铁素体合金与钒基合金三种。奥氏体不锈钢（如PCA）工艺性能好，但抗辐照性较差，PCA在400℃时辐照肿150dpa（dpa表示每个原子位移数，一般与辐照剂量成比例），与液态金属（如钠）相容性也较差。铁素体合金（如HT—9，9Cr—1Mo等）性能有改进，HT—9在425℃时寿命～200dpa，抗液态金属腐蚀能力要高一个数量级。钒基合金（如V—15Cr—5Ti）这两方面更好，但渗氚率高，可焊性差。此外，为了减少放射性废物的产生，研制低诱发放射性材料也是一项特殊的要求，辐照后材料的放射性与允许放射性剂量之比用WDR表示，当结构材料在堆内径10MW·a/m2照射后，PCA的WDP值为166，HT—9为235，而V15Cr5Ti为0.89。可见钒基合金最好。但如果严格控制Mo、Ni、Nb等元素，铁素体合金的WDR值也可能进一步下降。

3.太阳能材料

太阳能资源十分丰富，在40min内辐射到地球表面的太阳能约相当于全世界一年的能量消费量。太阳能对环境无污染，也不影响生态平衡，凡阳光所及之处均能被利用，所以太阳能是一种理想的能源。

太阳能的利用，主要采用光热转换和光电转换两种形式。光热转换是目前比较广泛使用的方式，利用聚热器与聚光镜获得100℃以下低温或高温热源。氮化锆新型反光材料的反射率高达84%，而镜子的反镜率只有78%，为太阳能利用提供了一种耐酸、耐碱、抗潮湿性能好的涂层材料。

太阳能电池把光能直接转变为电能。其关键是要解决转换效率高、性能稳定、成本低的电池材料问题。目前应用的材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、磷化铟、硫化镉、铜铟硒等。

（1）单晶和多晶硅　单晶硅太阳电池是最早使用的太阳电池材料。1958年用于人造卫星上，从此作为人造卫星、宇宙飞船的电源，以后逐步推广应用。目前商品单晶硅棒直径为100～125毫米，亦能获得直径152×656毫米的单晶硅棒（27千克），个别已达到直径200毫米。单晶硅电池效率理论值为22%，一般只达到10～12%，最高达到20.9%。

多晶硅材料用于太阳电池的主要是铸锭硅，与提拉单晶硅相比，成本约低30%，单位时间产量可提高5～10倍。(www.daowen.com)

带状硅和薄膜硅制造电池时无须切片，可使高纯硅材料的利用率提高到80%左右。是降低太阳电池材料消耗的有效途径之一，许多国家进行研究开发。硅带的生长技术种类繁多，主要有定边喂膜法（EFG）、水平拉带法（HRG）、支撑滑边浇片法（RAFT）等等。其中EFG法生产的硅带已制出太阳电池出售，并能用多头模具在同一炉子中同时拉出多条硅带。面积5×10厘米2电池的转换效率一般为10～20%，最高可达14.7%。

（2）非晶硅　非晶硅薄膜太阳电池厚度只有1微米左右，是单晶硅的1/300～1/400，用料很少，而且薄膜生长时间短，容易大量连续生产，被认为是目前可大幅度降低成本的最有前途的太阳电池。据推算，如果年产10万千瓦太阳电池，α-Si太阳电池组件的成本分别是单晶硅和多晶硅太阳电池的1/11和1/4。

非晶硅太阳电池关键在于要进一步提高其转换效率和稳定性。为此积极研制超晶格结构和多结叠层电池，如P层超晶格结构为α-SiC∶H（25A）/α-Si∶H（25A）（60层），小面积电池的转换率可以提高到11～13%。

（3）砷化镓电池材料　砷化镓的禁带宽度为1.43电子伏，与太阳光谱匹配良好，吸收系数高。当厚度为2微米时，即能吸收阳光中97%的光子，因而即使电池很薄，也能有高的转换效率。砷化镓太阳电池不但具有很高的转换效率，而且具有优良的抗辐照性能，能承受较高的温度，特别适用于空间开发，是空间站和人造卫星的理想能源之一。

砷化镓电池材料有单晶和多晶两种。高效砷化镓太阳电池材料一般采用液相外延和MOCVD（金属有机化学气相沉积）法制备。据报道，小面积GaAs太阳电池的转换效率已高达25.8%。

（4）其他薄膜电池材料　Cu2S/CdS多晶薄膜电池是发展较快的薄膜电池之一，制造工艺简单，易大面积生产，成本低廉。电池转换效率已达到10%左右，但要解决电池稳定性较差的问题。

CdTe/CdS多晶薄膜电池，面积100厘米2时转换效率为9.3%，丝网印刷工艺简单，易于实现工业化，而且稳定性较好，衰降小。

此外还有CuInSe2电池材料，它与CdS的晶格配备较好，CuInSe2/CdS电池的转换效率，面积20厘米2时为9.2%，CuInSe2电池已经商品化。非晶SiC电池材料也很令人注目。沉积在不锈钢基板上的9—SiC，荧光灯下转换效率达到11.6%，比非晶硅高1.9倍。

（5）磷化铟（InP）太阳电池　磷化铟太阳电池用于高空和辐射环境，有很大的潜在优越性。

N+—P磷化铟太阳电池是采用热扩散法将硫扩散进P型磷化铟衬底制成的。硫扩散是在含有30毫克硫化铟和2毫克红磷的10毫升石英管内进行，扩散温度625℃，扩散时间为3小时，磷化铟衬底大小为7×7×0.3毫米，沿（100）方向截流子浓度为1×16厘米-3，扩散结深度约0.3微米。除去扩散片背面上的扩散层后，在真空中蒸镀Au—Zn（Zn10%）背制作面欧姆接触，接着再在氮气流中在450℃下退火10分钟。前表面通过光掩模镀上宽20微米、间隔200微米的全欧姆接触电极。利用在含溴1%的甲酸溶液中进行台面腐蚀的方法，将扩散圆片分割成面积25毫米2的光电池。这种台面腐蚀的光电池的有源面积转换效率高达18%，栅极接触区覆盖损失为10.4%，所以它的有效面积的转换效率为20.1%（在AM1.5、100毫瓦/厘米2和25℃条件下）。