铀氮氧体系结构及其表面小分子吸附及扩散机制研究

1、铀氮氧体系结构及其表面小分子吸附及扩散机制研究电子科技大学电子科技大学 物理电子学院物理电子学院祖小涛祖小涛 聂锦兰聂锦兰一、研究背景一、研究背景核能的开发利用核能的开发利用： 1. 1. 核武器材料：核武器材料： 金属铀在国防金属铀在国防军事领域军事领域发挥着重要的作用发挥着重要的作用2. 2. 新型能源材料新型能源材料：至：至20202020年年中国将建成中国将建成4040座座以铀为原料以铀为原料相的百万千瓦级核电站相的百万千瓦级核电站铀材料的易腐蚀性铀材料的易腐蚀性1.1.铀是一种化学性质很活泼的材料铀是一种化学性质很活泼的材料; ; 2.2.铀很容易被铀很容易被O O2 2、H H2

2、2、H H2 2O O等气体腐蚀。等气体腐蚀。 *Long Z., Liu K.Z., Bai B., Yan D.X. Journal of Alloys and Compounds, Volume 491, issue 1-2 , p. 252-257(2010) SEM铀表面腐蚀防护的方法方 法 优 缺 点实 例合金法均匀性不够理想，容易引入杂质U-Nb-Zr、U-Nb、U-Mo 表面涂层法要求镀层本身具备良好的物理性能，且与铀基体之间有良好的结合作用 电镀Ni、Cu；离子镀层Al，有机涂层；热浸镀涂层Zn，Al ，Sn，Pb化学反应保护层-氧化层，碳化层激光表面改性-离子注入法不影响核

3、性能；不存在表面涂层，不影响使用；不受固溶度限制。注入层比较浅，可用渗入法改善。氧和铝、氧铬和钼、铬和钼；铌、锆；C、O、N表面改性（全方位离子注入法）Pure UraniumTreated Uranium*Long Z., Liu K.Z., Bai B., Yan D.X. Journal of Alloys and Compounds, Volume 491, issue 1-2 , p. 252-257(2010)In hot-humid environment for 1 monthAfter 5 months in atmosphere After 3 months in hot-

4、humid environment影响表面腐蚀进程的关键因素：氧的扩散影响表面腐蚀进程的关键因素：氧的扩散In hot-humid environment for 2 months SEMAES depth profilePure UraniumTreated Uranium改性层的结构和组分*Kezhao Liu, Ren Bin, Hong Xiao et al. Applied Surface Science 265 (2013) 389 392UO2U2N3,UNUO2,U2N3U metal氮化层与氧气的相互作用UNOx, U2N3Ox: U 4f 379.7 eV*Kezhao L

5、iu, Lizu Luo, Lili Luo et al. Applied Surface Science 280 (2013) 268 272理论研究进展UN体相中O原子的行为： O在UN内部可形成稳定的缺陷结构氧分子、原子在UN(001)及(110)表面的行为：l 氧分子在UN(001)表面可自发解离l 解离后产生的氧原子倾向于吸附在U原子的顶部位置l 氧原子在U表面有较高的迁移率l 氧原子较容易穿透至U的次表面（从U的顶位至次表面N的空位）l 氧原子容易嵌入表面中的N空位，形成稳定的表面缺陷结构 二、研究内容（第一性原理方法） (1) (1)氧气、氢气和水分子在铀氮化合物表面的吸附、解离

6、、扩散过程以及氧气、氢气和水分子在铀氮化合物表面的吸附、解离、扩散过程以及 氧原子穿透铀氮化合物表面的过程；氧原子穿透铀氮化合物表面的过程； (2)(2)与纯铀表面同样的表面过程进行对比与纯铀表面同样的表面过程进行对比 * *铀氮化合物表面抗腐蚀能力提升的微观机理铀氮化合物表面抗腐蚀能力提升的微观机理 （3)3)确定解离后的氧原子扩散至体相所形成的三元稳定相确定解离后的氧原子扩散至体相所形成的三元稳定相 * *U-N-OU-N-O体系的结构体系的结构( (替位，间隙，空位替位，间隙，空位) )，O O在结构中所占的成分比例？在结构中所占的成分比例？ * *O O在铀氮化合物中的固溶对其是否起到

7、稳定的作用，哪一个结构最为稳定？在铀氮化合物中的固溶对其是否起到稳定的作用，哪一个结构最为稳定？ （4)4)气体小分子与气体小分子与U-N-OU-N-O化合物的表面相互作用（吸附、解离、扩散、穿透）化合物的表面相互作用（吸附、解离、扩散、穿透） * *固溶固溶O O之后的铀氮化合物的抗腐蚀能力如何之后的铀氮化合物的抗腐蚀能力如何 * *与气体小分子和铀氮化合物的作用进行对比与气体小分子和铀氮化合物的作用进行对比 （5)5)气体小分子与铀氧化合物表面的相互作用气体小分子与铀氧化合物表面的相互作用 三、研究基础（1）O2 and H2O on UN(001) 和和 N2 on UO2(111) (

8、1)氧分子在氧分子在UN(001)表面可自发解离，与表面可自发解离，与-U(001)表面的现象类似。但氧原子在表面的现象类似。但氧原子在UN(001) 表面吸附的稳表面吸附的稳定性明显低于在定性明显低于在-U(001)表面的情形，说明铀的氮化处理有助于削弱氧与铀表面的相互作用。表面的情形，说明铀的氮化处理有助于削弱氧与铀表面的相互作用。(2)水分子与水分子与UN(001)表面存在较强的相互作用，主要是表面存在较强的相互作用，主要是H-N作用。而当水分子吸附于作用。而当水分子吸附于-U(001)表面时，表面时，O-U为主要相互作用。为主要相互作用。(3)氮气分子在氮气分子在UO2(111)表面保

9、持分子吸附态，而在表面保持分子吸附态，而在-U(001)表面吸附时则表现为自发解离。可预测，表面吸附时则表现为自发解离。可预测，铀在氧化腐蚀之后，会增大氮化处理的难度。铀在氧化腐蚀之后，会增大氮化处理的难度。1. 材料的抗辐照性能研究（Acta Mater., 2015, 87: 273; Acta Mater., 2015, 82: 275; J. Nuc. Mater. 2014, 452: 335.） 2. 材料的力学性能研究（Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15: 18464; Acs Nano, 2012, 6: 9723.） 3. 材料的电子结构特性研究（J.