铀氢氧化合物的辐射场效应研究

Uranium has a very wide range of applications in the military, energy and other areas. Because of its specific radioactivity and lively nature of the chemical, it easily react with O2, H2 and H2O and form oxide and hydride corrosion, which impact the nuclear quality and performance. Therefore, the reason of corrosion and aging for uranium nuclear material under radiation field, which have great significance to propose measures to prevent or mitigate corrosion and aging of uranium..This project consists of four areas of research: First studying on the uranium atom effective core potential, then obtaining high precision RECP and valence electron basis function of uranium atoms. The second is studying the change of Einstein coefficient, spectroscopic constants, the Fermi level and thermodynamic properties of uranium hydroxide under radiation field. The third is analysing the data change of Einstein coefficient, spectroscopic constants, the Fermi level and thermodynamic properties, and putting forward the cause of corrosion and aging of uranium nuclear material. Last further studying the phase diagrams of uranium-hydroxide and uranium-oxygen systems under radiation field. Researching on the surface reactions of uranium in the surface reaction of H2, CO at different temperatures according to the thermodynamic properties of uranium hydroxide and applying the basic principles of thermodynamics. Putting forword the model for anti-uranium surface corrosion of the action of CO-H2 system under radiation field, exploring the measures for preventing or mitigate corrosion and aging of uranium.

铀在军事、能源等领域有着极为广泛的应用，由于其特殊的放射性和活泼的化学性质，极易与O2、H2和H2O发生反应，形成氧化和氢化腐蚀，影响核质量和性能。因此，研究辐射场作用下铀核材料腐蚀和老化的原因，提出防止或减轻铀腐蚀和老化的措施具有重要的意义。.本项目包括四方面研究内容：一是对铀原子有效原子实势进行研究并获得精度较高的铀原子的RECP表示和铀原子的价电子基函数表示；二是研究辐射场作用下对铀氢氧化合物的爱因斯坦系数、光谱常数、费米能级、热力学性质等变化；三是通过对铀氢氧化合物爱因斯坦系数、光谱常数、费米能级、热力学性质等数据变化分析，提出铀核材料腐蚀和老化的原因；四是进一步研究辐射场作用下铀－氢、铀－氧体系的相图，根据铀氢氧化物的热力学性质，应用热力学基本原理，研究铀在H2、CO中不同温度的表面反应情况，提出辐射场作用下CO－H2系统抗铀表面腐蚀的模型，探究防止或减轻铀腐蚀和老化的措施。

采用相对论有效原子实势理论，运用量子力学中含时密度泛函方法TD-B3P86/Gen，计算了自辐射场（-0.005～0.005a.u.）作用下铀氢、铀氧、铀氮和铀碳氧化合物的能隙、电子跃迁光谱、铀原子正电荷的变化和超精细耦合常数的变化。获得了以下研究进展、重要结果、关键数据及其科学意义。. 1.研究了自辐射场影响下铀腐蚀和老化的原因。研究结果表明铀氢、铀氧、铀氮和铀碳氧化合物的离解是Compton散射产生低能次级电子，再由次级电子碰撞使分子激发离解，分离出氢原子、氧原子、氮原子和碳原子，进而生成氢气、氧气、氮气和碳气。氢原子、氧原子、氮原子、碳原子、氧气、氮气和碳气又与铀原子反应生成铀氢、铀氧、铀氮和铀碳氧化合物，这样加速了铀的腐蚀。这与实验金属铀和空气反应速率大大提高的结论是和谐的。. 2.研究了减轻铀腐蚀老化的措施。研究结果表明氧化铀、氢化铀和碳氧化铀能隙减少，在自辐射场中更趋于稳定，可以阻止氧气、氢气、碳等扩散到表面内层而腐蚀铀，有利于铀在自辐射场中抗腐蚀。. 3.研究了铀氢、铀氧、铀氮和铀碳氧化合物光谱红移的原因。研究结果表明铀氢、铀氧、铀氮和铀碳氧化合物的前5个激发态电子跃迁光谱属于远红外光谱。但对轻分子，如OH，NH，ZnF和H2O，电子跃迁光谱都在可见与紫外区。通过分析，铀原子的基电子组态为KLMN 5s25p65d106s26p65f36d17s2，有3个5f电子，处于离域和定域的转变间，5f电子有较大弥漫性，结合能比5d电子弱，因而出现在远红外区光谱。.　　4.研究了铀氢、铀氧、铀氮和铀碳氧化合物正电荷变化的原因。研究结果表明铀原子电荷和自旋密度呈正电性，氢、氧、氮和碳原子电荷和自旋密度呈负电性。在自辐射场作用下，铀原子正电性减弱，氢、氧、氮和碳原子负电性也减弱。原因是电子逆自辐射场方向流动，氢、氧、氮和碳原子的电子流向铀原子。.　　5.研究了铀氢、铀氧、铀氮和铀碳氧化合物超精细耦合常数基本不变的原因。研究结果表明铀氢、铀氧、铀氮和铀碳氧化合物超精细耦合常数基本不变。原因是铀本身自辐射阿化，伽玛等粒子，自辐射场由电场和磁场组成，电场占辐射场94%，电场是磁场约100倍。铀原子和氢、氧、氮、碳原子超精细耦合常数主要受磁场的作用，而自辐射场中磁场相对电场较弱。