金属铀表面氮化层的微结构及其抗氧化机制的亚埃尺度研究

As an important nuclear materials, metal uranium has important strategic significance in the field of national defense and energy. Surface nitriding is one of the promise ways to improve the corrosion resistivity of uranium metal. However, because of the complex 5f electron structure, the scattering knowledge on the crystal structure, electron structure, behaviors of surface corrosion of U-N system and the relationship among them still need to be recognized. The atomic resolution aberration corrected scanning transmission electron microscopy combined with electron energy loss spectroscopy (STEM-EELS) will be employed to investigate the local atomic and electronic structure for uranium and uranium alloys and oxides at the sub-Angstrom scale. In combination with first-principle theoretical simulations and calculations, several fundamental physical aspects on antioxidation mechanism of Uranium nitrides will be studied and revealed. This project focuses on the key fundamental science problem on uranium nitrides with good properties. It makes full use of the research conditions and foundation. The proposal is expected to amplify further understanding on the electronic properties of light actinides and promote the engineering application of U-N system which is benefit to the improvement of the corrosion resistance of uranium surface. Crucially, The information and pushes strongly the progress of the relating fields.

作为重要的核材料，金属铀在国防及能源领域具有重要的战略意义。表面氮化是提高金属铀抗腐蚀性能的有效方法之一，但因其具有复杂的5f电子结构，铀-氮体系的晶体结构、电子结构及表面腐蚀行为等基础问题及它们之间的相互关系仍有待深入研究。本项目针对这一科学问题，提出使用球差矫正原子分辨扫描透射电子显微术和电子能量损失谱相结合的技术（STEM-EELS）的高空间分辨和能量分辨能力，在亚埃尺度对铀氮化物原子结构和电子结构进行观测。结合第一性原理理论模拟和计算，揭示铀氮化物的抗氧化性能的深层次的物理图像和原子尺度微观机制。本项目针对具有优良性能的铀氮化物体系中的关键基础科学问题，结合本实验室的研究条件和已有研究基础，发挥自身的研究强项对其进行细致的研究。它的实施将丰富对轻锕系元素电子特性的基础认识，推动铀-氮体系在金属铀表面抗腐蚀性能提升中的工程应用，对相关领域的发展起到有力的推动作用。

表面氮化是提高金属铀抗腐蚀性能的有效方法之一。本项目使用球差矫正原子分辨扫描透射电子显微术和电子能量损失谱相结合的技术（STEM-EELS）的高空间分辨和能量分辨能力，在亚埃尺度对铀氮化物原子结构和电子结构进行观测。 实现了离子氮化层、脉冲激光氮化改性层原子尺度高分辨像以及对高分辨像的解析。利用电子谱学技术并结合电子显微学，同步辐射技术等对铀表面氮化层的精细结构做了较为深入的研究，确定了氮、氧间隙原子的占位。认识到铀氮表面存在铀-氮-氧三元体系层，它在铀氮表面的抗氧化效应中起着关键作用。铀氮体系为氧的惨杂体系，氮化层表面惨杂浓度高，高氧含量的铀氮氧三元体系层阻止了氧向体系内部的进一步扩散，起到钝化的作用。我们的研究结果必将有助于理解铀氮化物的特性，并为金属铀的防护提供新的认识。