《第一性原理方法研究鈾氮化合物的腐蝕防護性能》是依託電子科技大學,由聶錦蘭擔任醒目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：第一性原理方法研究鈾氮化合物的腐蝕防護性能
- 依託單位：電子科技大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：聶錦蘭
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本研究計畫擬採用第一性原理方法並結合分子動力學探討兩種鈾氮化合物的氧化腐蝕防護性能及其微觀機理。我們將通過研究氧氣在鈾氮化合物表面的吸附，解離及擴散過程，從幾何結構，能量特徵及電子性質等方面加深對氧氣與鈾氮化合物相互作用的特徵及本質的認識，從而為鈾設計最為最佳化的腐蝕防護改性層提供理論思路。此外，我們擬通過考慮水與氧氣共存於鈾氮化合物表面的情況，探討濕氣環境加速鈾氧化腐蝕的機理。對於溫度在鈾腐蝕防護方面的影響，我們擬通過分子動力學方法，研究氧及氫在不同溫度下的擴散行為，初步探討溫度影響腐蝕防護的機理，從而為指導營造最有利的鈾使用和儲存環境提供理論基礎。
結題摘要
由於鈾材料在大氣環境中的易腐蝕性，其表面腐蝕防護一直以來都是十分重要的課題。實驗人員發現對其進行氮化處理可以在較大程度上提高鈾的表面防腐蝕能力。由於不同氮化處理方法都會在鈾的表面層形成數種鈾氮化合物，本研究採用第一性原理方法探討了兩種鈾氮化合物UN及U2N3的氧化腐蝕防護性能及其微觀機理。通過研究氧氣在鈾氮化合物表面的吸附、解離及擴散過程，從幾何結構、能量特徵及電子性質等方面加深對氧氣與鈾氮化合物相互作用的特徵及本質的認識。此外，我們通過考察水與鈾氮化合物表面的相互作用情況，探討了濕氣環境加速鈾氧化腐蝕的機理。研究發現，氧氣分子在UN(001)表面傾向於自發解離，而在U2N3(001)表面則以分子的形式物理吸附於表面，表明氧氣與U2N3(001)表面的氧化腐蝕反應更不易於發生。解離後的氧分子在UN(001)表面著附於高配位的洞位或鈾原子頂部，而當覆蓋度從0.25 ML降到0.11 ML後，其吸附強度有小幅度的減弱。當表面存在U的空位時，我們發現氧原子在表面的吸附強度有明顯的提升，吸附能降低了大約0.4 eV。說明在存在空位缺陷的鈾氮化合物表面，其氧化腐蝕反應會更容易發生。通過模擬氧原子向次表面的穿透過程，我們發現氧原子在此過程中需要克服大約2.86 eV的勢壘，過高的擴散勢壘決定了氧原子在UN(001)表面不易於往次表面穿透，從而較好地避免表面層以下進一步發生氧化腐蝕。對於氧原子在UN(001)表面上不同高對稱吸附位置之間的擴散研究，我們發現相應的擴散勢壘並不是很高，大約在0.5 eV左右。因此，氧分子在UN(001)表面解離後，得到的氧原子會較易地在表面上進行遷移。對水分子與UN(001)表面的相互作用研究發現，水分子在其表面以分子吸附的形式存在，但其吸附能卻達到~-2eV，說明水分子在鈾氮化合物表面為較強的化學吸附，這也將促進吸附的氧氣與表面的進一步相互作用。
