基于复合纳米结构的微核电池性能理论研究

以碳纳米管为基础的复合纳米结构材料设计的微型核电池，能够以高达80%的转化效率把核能直接转化为电能，是高效应用核能的一种新手段。本项目应用第一性原理电子结构计算、分子动力学和电子-离子关联动力学等理论方法，研究以复合纳米结构为基础的微型核电池中工作材料在粒子束辐射条件下的损伤和自修复机制，热稳定性和热传输过程，探索增强复合材料辐射耐受性的物理条件和减轻热致损伤的手段；模拟研究微核电池中辐射能量的转化过程，阐明微核电池中纳米结构材料在辐照下结构的转变对其性能的影响规律；认识材料结构排布、材料缺陷等因素对转化性能的影响规律，为微核电池材料选择和形式设计提供理论预测与科学依据。

本项目针对碳纳米管复合纳米结构核电池的工作原理和实现中的技术难题开展了理论研究。采用基态和含时密度泛函理论、分子动力学等理论方法，研究了碳/金属结构在alpha离子辐照条件下的电荷转移过程，初步阐明了衰变能向电能直接转化的基本机制。研究了碳结构材料在粒子束辐照下的结构损伤机制以及可能的修复方法，阐明了用外部分子碳源修复碳结构缺陷的机理。而且用分子动力学研究了辐照导致的局部热量升高后的热传输过程，阐明了低维结构中热传输的特点。本项目的研究为微核电池材料选择和形式设计提供理论预测与参考。