第一性原理方法研究铀氮化合物的腐蚀防护性能

This proposal will study the corrosion resistance of two types of Uranium Nitrides and the corresponding micromechanisms using the First-principles Method and Molecular Dynamics Simulations. The adsorption,dissociation and diffusion behavior of Oxygen on and in Uranium Nitrides will be studied in detail. By focusing on the structures, the energetics and electronic properties, we will be able to achieve a deep insight into the properties and nature of the interaction between Oxygen and Uranium Nitrides. This is meaningful in directing a rational design of an optimized corrosion resistance layer for Uranium. In order to understand how the moist environment affects the Uranium corrosion resistance, we will also study the co-existence of water and Oxygen on the Uranium Nitrides surfaces, and further investigate the dissociation and diffusion processes of them. Concerning the impact of temperature on the corrosion resistance, we intend to utilize the Molecular Dynamics Simulation to study the diffusion of Oxygen and Hydrogen which dissociated from water. The insight into the mechanism of the temperature impact would be significant as the theoretical groundwork for directing the building of a benefic application and storage environment for Uranium.

本研究计划拟采用第一性原理方法并结合分子动力学探讨两种铀氮化合物的氧化腐蚀防护性能及其微观机理。我们将通过研究氧气在铀氮化合物表面的吸附，解离及扩散过程，从几何结构，能量特征及电子性质等方面加深对氧气与铀氮化合物相互作用的特征及本质的认识，从而为铀设计最为优化的腐蚀防护改性层提供理论思路。此外，我们拟通过考虑水与氧气共存于铀氮化合物表面的情况，探讨湿气环境加速铀氧化腐蚀的机理。对于温度在铀腐蚀防护方面的影响，我们拟通过分子动力学方法，研究氧及氢在不同温度下的扩散行为，初步探讨温度影响腐蚀防护的机理，从而为指导营造最有利的铀使用和储存环境提供理论基础。

由于铀材料在大气环境中的易腐蚀性，其表面腐蚀防护一直以来都是十分重要的课题。实验人员发现对其进行氮化处理可以在较大程度上提高铀的表面防腐蚀能力。由于不同氮化处理方法都会在铀的表面层形成数种铀氮化合物，本研究采用第一性原理方法探讨了两种铀氮化合物UN及U2N3的氧化腐蚀防护性能及其微观机理。通过研究氧气在铀氮化合物表面的吸附、解离及扩散过程，从几何结构、能量特征及电子性质等方面加深对氧气与铀氮化合物相互作用的特征及本质的认识。此外，我们通过考察水与铀氮化合物表面的相互作用情况，探讨了湿气环境加速铀氧化腐蚀的机理。. 研究发现，氧气分子在UN(001)表面倾向于自发解离，而在U2N3(001)表面则以分子的形式物理吸附于表面，表明氧气与U2N3(001)表面的氧化腐蚀反应更不易于发生。解离后的氧分子在UN(001)表面着附于高配位的洞位或铀原子顶部，而当覆盖度从0.25 ML降到0.11 ML后，其吸附强度有小幅度的减弱。当表面存在U的空位时，我们发现氧原子在表面的吸附强度有明显的提升，吸附能降低了大约0.4 eV。说明在存在空位缺陷的铀氮化合物表面，其氧化腐蚀反应会更容易发生。. 通过模拟氧原子向次表面的穿透过程，我们发现氧原子在此过程中需要克服大约2.86 eV的势垒，过高的扩散势垒决定了氧原子在UN(001)表面不易于往次表面穿透，从而较好地避免表面层以下进一步发生氧化腐蚀。对于氧原子在UN(001)表面上不同高对称吸附位置之间的扩散研究，我们发现相应的扩散势垒并不是很高，大约在0.5 eV左右。因此，氧分子在UN(001)表面解离后，得到的氧原子会较易地在表面上进行迁移。对水分子与UN(001)表面的相互作用研究发现，水分子在其表面以分子吸附的形式存在，但其吸附能却达到~-2eV，说明水分子在铀氮化合物表面为较强的化学吸附，这也将促进吸附的氧气与表面的进一步相互作用。