成果简介:
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,研究自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。
采用了含时的密度泛函方法(TDDFT),使用已修正的铀原子的 RECP (Relativistic Effective Core Potential)表示和铀原子的价电子基函数,对铀氮、铀氧和铀碳氧化合物的谐振频率、能隙和费米能级等进行了研究。
通过对UN2、UN 、CUO、UO等铀氮、铀氧和铀碳氧化合物的谐振频率计算,在自辐射场中谐振频率ν与实验值吻合,说明采用的方法和修正的铀原子的基函数是可行。同时,得出铀氮、铀氧和铀碳氧化合物,如:UN 、CUO、UO分子在自辐射场中更趋于稳定,可以阻止O2、CO2和N2等扩散到表面内层而腐蚀铀表面,有利于铀在自辐射场中抗腐蚀。而有些铀氮化合物,如:UN2分子在自辐射场中趋于不稳定,N2等更容易扩散到表面内层而腐蚀铀表面,加剧了铀在自辐射场中的腐蚀。
研究自辐射场作用下铀核材料腐蚀和老化的原因
成果内容提要:
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,研究自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。
我们采用了含时的密度泛函方法(TDDFT),使用已修正的铀原子的 RECP 表示和铀原子的价电子基函数,对铀氮、铀氧和铀碳氧化合物的谐振频率、能隙和费米能级等进行了研究。研究了自辐射场(-0.005~0.005a.u.)作用下,铀氮、铀氧和铀碳氧化合物的谐振频率、能隙和费米能级等情况,得出以下结论:
1. CUO分子在自辐射场中反对称伸缩振动频率ν3(σg)和对称伸缩振动频率ν1(σg )与实验值852.6 cm-1、804.4cm-1基本吻合。能隙和费米能级始终处于增大的趋势,占据轨道的电子难以被激发至空轨道而形成激发态,CUO分子在自辐射场中更趋于稳定,可以阻止O2、CO2等扩散到表面内层而腐蚀铀面,有利于了铀在自辐射场中抗腐蚀。该研究内容,发表在2015年《原子与分子物理学报》第4期。
2. UN2分子在自辐射场中反对称伸缩振动频率ν3(σg)和对称伸缩振动频率ν1(σg )与实验值1051.1cm-1和1008.3cm-1基本吻合。能隙和费米能级随自辐射场场强的增大而趋于减少,占据轨道的电子容易被激发至空轨道而形成激发态,UN2分子在自辐射场中趋于不稳定,N2、O2等更容易扩散到表面内层而腐蚀铀表面,加剧了铀在自辐射场中的腐蚀。该研究内容,发表在2015年《物理学报》第6期(SCI收录)。
3. UO分子在自辐射场中谐振频率ν与实验值819.8 cm-1吻合。能隙和费米能级随自辐射场的增大而增大,但增大的趋势减少,占据轨道的电子难以被激发至空轨道而形成激发态,UO分子在自辐射场中更趋于稳定,可以阻止O2、CO2等扩散到表面内层而腐蚀铀表面,有利于铀在自辐射场中抗腐蚀。该研究内容,发表在2015年第5期《四川大学学报》(自然科学版)。
4. UN分子在自辐射场中谐振频率ν与实验值1007.7 cm-1基本吻合。能隙和费米能级随自辐射场的增大而增大,占据轨道的电子难以被激发至空轨道而形成激发态,UN分子在自辐射场中更趋于稳定,可以阻止O2、CO2等扩散到表面内层而腐蚀铀表面,有利于铀在自辐射场中抗腐蚀。该研究内容,已被《原子能科学技术》录用(EI Compendex)。
创新点:计算自辐射场作用下的铀氢、铀氧、铀氮、铀碳和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,通过对比自辐射场作用下轻分子,如OH、NH、ZnF和H2O爱因斯坦系数、光谱常数、费米能级、热力学性质等数据变化,研究铀氢、铀氧、铀氮、铀碳和铀氢氧化合物与轻分子爱因斯坦系数、光谱常数、费米能级、热力学性质等差异,提出了自辐射场作用下CO-H 2系统抗铀表面腐蚀的模型。
社会反映:
1.《自辐射场下UN2分子的光谱研究》一文,发表在2015年3月《物理学报》第6期,被SCI收录(SCI源期刊)。
2.《自辐射场下CUO分子的光谱研究》一文,发表在2015年8月《原子与分子物理学报》第4期。
3.《自辐射场下UO分子的光谱研究》一文,发表在2015年9月《四川大学学报》(自然科学版)第5期。
4.《自辐射场下UN分子的光谱研究》一文,已被《原子能科学技术》录用(EI Compendex)。