1、鈾氮氧體系結構及其表面小分子吸附及擴散機制研究電子科技大學電子科技大學 物理電子學院物理電子學院祖小濤祖小濤 聶錦蘭聶錦蘭一、研究背景一、研究背景核能的開發利用核能的開發利用： 1. 1. 核武器材料：核武器材料： 金屬鈾在國防金屬鈾在國防軍事領域軍事領域發揮著重要的作用發揮著重要的作用2. 2. 新型能源材料新型能源材料：至：至20202020年年中國將建成中國將建成4040座座以鈾為原料以鈾為原料相的百萬千瓦級核電站相的百萬千瓦級核電站鈾材料的易腐蝕性鈾材料的易腐蝕性1.1.鈾是一種化學性質很活潑的材料鈾是一種化學性質很活潑的材料; ; 2.2.鈾很容易被鈾很容易被O O2 2、H H2

2、2、H H2 2O O等氣體腐蝕。等氣體腐蝕。 *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鈾表面腐蝕防護的方法方 法 優 缺 點實 例合金法均勻性不夠理想，容易引入雜質U-Nb-Zr、U-Nb、U-Mo 表面涂層法要求鍍層本身具備良好的物理性能，且與鈾基體之間有良好的結合作用 電鍍Ni、Cu；離子鍍層Al，有機涂層；熱浸鍍涂層Zn，Al ，Sn，Pb化學反應保護層-氧化層，碳化層激光表面改性-離子注入法不影響核

3、性能；不存在表面涂層，不影響使用；不受固溶度限制。注入層比較淺，可用滲入法改善。氧和鋁、氧鉻和鉬、鉻和鉬；鈮、鋯；C、O、N表面改性（全方位離子注入法）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影響表面腐蝕進程的關鍵因素：氧的擴散影響表面腐蝕進程的關鍵因素：氧的擴散In hot-humid environment for 2 months SEMAES depth profilePure UraniumTreated Uranium改性層的結構和組分*Kezhao Liu, Ren Bin, Hong Xiao et al. Applied Surface Science 265 (2013) 389 392UO2U2N3,UNUO2,U2N3U metal氮化層與氧氣的相互作用UNOx, U2N3Ox: U 4f 379.7 eV*Kezhao L

5、iu, Lizu Luo, Lili Luo et al. Applied Surface Science 280 (2013) 268 272理論研究進展UN體相中O原子的行為： O在UN內部可形成穩定的缺陷結構氧分子、原子在UN(001)及(110)表面的行為：l 氧分子在UN(001)表面可自發解離l 解離后產生的氧原子傾向于吸附在U原子的頂部位置l 氧原子在U表面有較高的遷移率l 氧原子較容易穿透至U的次表面（從U的頂位至次表面N的空位）l 氧原子容易嵌入表面中的N空位，形成穩定的表面缺陷結構 二、研究內容（第一性原理方法） (1) (1)氧氣、氫氣和水分子在鈾氮化合物表面的吸附、解離

6、、擴散過程以及氧氣、氫氣和水分子在鈾氮化合物表面的吸附、解離、擴散過程以及 氧原子穿透鈾氮化合物表面的過程；氧原子穿透鈾氮化合物表面的過程； (2)(2)與純鈾表面同樣的表面過程進行對比與純鈾表面同樣的表面過程進行對比 * *鈾氮化合物表面抗腐蝕能力提升的微觀機理鈾氮化合物表面抗腐蝕能力提升的微觀機理 （3)3)確定解離后的氧原子擴散至體相所形成的三元穩定相確定解離后的氧原子擴散至體相所形成的三元穩定相 * *U-N-OU-N-O體系的結構體系的結構( (替位，間隙，空位替位，間隙，空位) )，O O在結構中所占的成分比例？在結構中所占的成分比例？ * *O O在鈾氮化合物中的固溶對其是否起到

7、穩定的作用，哪一個結構最為穩定？在鈾氮化合物中的固溶對其是否起到穩定的作用，哪一個結構最為穩定？ （4)4)氣體小分子與氣體小分子與U-N-OU-N-O化合物的表面相互作用（吸附、解離、擴散、穿透）化合物的表面相互作用（吸附、解離、擴散、穿透） * *固溶固溶O O之后的鈾氮化合物的抗腐蝕能力如何之后的鈾氮化合物的抗腐蝕能力如何 * *與氣體小分子和鈾氮化合物的作用進行對比與氣體小分子和鈾氮化合物的作用進行對比 （5)5)氣體小分子與鈾氧化合物表面的相互作用氣體小分子與鈾氧化合物表面的相互作用 三、研究基礎（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)表面可自發解離，與表面可自發解離，與-U(001)表面的現象類似。但氧原子在表面的現象類似。但氧原子在UN(001) 表面吸附的穩表面吸附的穩定性明顯低于在定性明顯低于在-U(001)表面的情形，說明鈾的氮化處理有助于削弱氧與鈾表面的相互作用。表面的情形，說明鈾的氮化處理有助于削弱氧與鈾表面的相互作用。(2)水分子與水分子與UN(001)表面存在較強的相互作用，主要是表面存在較強的相互作用，主要是H-N作用。而當水分子吸附于作用。而當水分子吸附于-U(001)表面時，表面時，O-U為主要相互作用。為主要相互作用。(3)氮氣分子在氮氣分子在UO2(111)表面保

9、持分子吸附態，而在表面保持分子吸附態，而在-U(001)表面吸附時則表現為自發解離。可預測，表面吸附時則表現為自發解離。可預測，鈾在氧化腐蝕之后，會增大氮化處理的難度。鈾在氧化腐蝕之后，會增大氮化處理的難度。1. 材料的抗輻照性能研究（Acta Mater., 2015, 87: 273; Acta Mater., 2015, 82: 275; J. Nuc. Mater. 2014, 452: 335.） 2. 材料的力學性能研究（Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15: 18464; Acs Nano, 2012, 6: 9723.） 3. 材料的電子結構特性研究（J.