辉光等离子体氮化铀表面的氢腐蚀

采用辉光等离子体氮化方法制备铀表面氮化样品。俄歇电子能谱和X射线衍射对样品的分析表明,铀表面形成了厚约250 nm、主要成分为α-U₂N_3+x的氮化层,氮化层与基体之间具有平缓的过渡层,且氮在金属铀的基体内有一定扩散。与轻微氧化样品氢腐蚀的对比实验表明,氮化处理使样品表面缺陷密度减少,改性层对氢吸附、扩散有阻挡作用,氢蚀形核较慢且其生长明显受到改性层的抑制,这表明铀表面辉光等离子体氮化可作为延缓氢腐蚀的有效手段。     

热压烧结UN陶瓷芯块的性能

UN燃料具有铀密度高、熔点高、热导率高、热膨胀系数低、辐照稳定性好等优点,是未来空间核电源、核火箭、快堆和ADS的重要候选燃料。本文采用金属铀粉与氮气在300～400℃直接发生化合反应,制得单相U₂N₃粉末。粒度为38.3 μm的U₂N₃粉末在1 600 ℃真空热压烧结,制得相对密度为93.5%、存在少量金属铀相的UN陶瓷;而18.1 μm的U₂N₃粉末在1 550 ℃真空热压烧结,制得相对密度为96.1%、不残留金属铀相的UN陶瓷,U与N的总质量分数为99.57%,每个金属杂质含量均低于50 μg/g,氧含量为1 048 μg/g,碳含量为502 μg/g。U₂N₃在1 027 ℃以上将会完全分解成UN,UN在1 627 ℃以上也会发生分解。     

O2在UC(001)表面吸附的第一性原理研究

本文使用GGA+U方法研究了O₂在UC(001)表面的吸附、解离过程。结果表明：U_eff=1.5 eV能很好地再现晶格常数a和内聚能E_coh的实验结果；经过离子弛豫，最表面的两个原子层出现分层现象，各自形成两个亚层；O₂分子的吸附构型对吸附过程影响较大，吸附能在2.21～8.55 eV之间变化。通过Bader电荷、差分电荷和态密度分析，可确定O₂分子的解离活化机理为U的5f/6d电子转移至O₂的π2p和π*2p轨道。     

U3Si2粉末氟化制备UF4工艺研究

在元件生产过程中，不合格的含铀物料种类多、存量大，为了提高铀的可利用率，满足日益增多燃料元件生产任务所需物料的稳定供给，需要进行铀回收。本实验研究了将U₃Si₂粉末先煅烧氧化制成U氧化物，再将U氧化物与固体氟化铵反应制备UF₄的干法工艺，通过研究氟化物加入量、反应温度、反应时间等因素对产品UF₄质量的影响，摸索出最佳工艺参数。实验结果表明，U₃Si₂粉末煅烧氧化后与固体氟化铵或氟化氢铵反应能制备出符合质量要求的UF₄产品，反应温度在500℃左右、保温时间4.5 h可将UF₄中的UO₂F₂含量降到较低水平。      

U3Si2燃料芯块的制备与显微组织研究

使用电弧熔炼破碎制备U₃Si₂粉末，通过粉末冶金工艺制备获得U₃Si₂燃料芯块，研究了芯块制备过程中U₃Si₂芯块成型能力以及烧结工艺对密度和显微组织的影响。结果表明，加入质量分数为0.5%的聚乙二醇（PEG）成型剂，在260~300?MPa压力下压制成型，在1550℃烧结2~4?h后，U₃Si₂芯块密度最高达到11.4?g/cm3，达到理论密度的的93%以上；芯块晶粒大小均匀，约为60 μm，局部区域存在着少量U相或UO₂相夹杂；芯块的热导率明显优于UO₂，且随温度的升高，其热导率呈线性升高趋势。      

铀铌合金在O_2气氛中氧化初期的XPS研究

采用X射线光电子能谱 (XPS)分析研究了 2 98K时铀铌合金的清洁表面在O2 气氛中的原位氧化过程。通过分析反应各阶段U4f ,Nb3d和O1s谱峰的变化 ,揭示了O2 在铀铌合金表面吸附解离后 ,优先与表面Nb原子和U原子结合生成NbO、UO2 -x和UO2 ,然后NbO进一步氧化为NbO2 和Nb2 O5,在氧化的不同阶段U和Nb分别向表面偏析     

含TBP-HNO3超临界CO2流体静态络合萃取U3O8

建立了一种快速降低萃取系统压力的静态络合萃取实验装置。在此装置上研究了含TBP-HNO₃超临界CO₂静态络合U₃O₈的快速气化测量方法,探索了含TBP-HNO₃超临界CO₂静态络合萃取U₃O₈的行为规律。     

UO2表面铝薄膜生长过程的AES原位研究

室温下在俄歇电子能谱(AES)分析仪超高真空室中,通入适量O2,促使基底U表面氧化,生成UO2,然后利用Ar+枪溅射铝箔,使铝沉积在UO2表面形成Al薄膜.沉积过程中实时采集UO2表面的AES谱和低能电子损失谱(EELS),原位分析铝薄膜在UO2表面的生长过程和膜间界面反应.研究表明,室温下, UO2表面的铝薄膜以岛状方式生长;铝与UO2之间存在相互作用,电子从铝原子向UO2中的铀离子转移,由于表面吸附氧的作用,在UO2/Al界面处存在少量的Al2O3;沉积Al原子与UO2之间发生明显的扩散行为,铝向UO2中扩散,形成了一个氧化态铀、金属铀和铝三者共存区.     

多孔石墨相氮化碳的制备及对U(Ⅵ)的吸附机理研究

以三聚氰胺为原料、碳酸钙为辅助模板,采用热聚合法对石墨相氮化碳（g-C₃N₄）进行改性,制备了多孔石墨相氮化碳（PCN）材料,研究了g-C₃N₄改性前后对U(Ⅵ)的吸附效果,并利用SEM、BET、FT-IR、XPS等表征手段对PCN吸附U(Ⅵ)的机理进行了分析。结果表明：PCN比表面积显著增大（58.5 m²/g）,约为g-C₃N₄的4倍;在初始pH=5、吸附时间2 h、U(Ⅵ)初始浓度10 mg/L、PCN用量0.2 g/L、温度303 K条件下,PCN对U(Ⅵ)的最大吸附量为92 mg/g;整个吸附过程符合准二级动力学方程以及Langmuir等温吸附模型;此外,升高温度有利于PCN对U(Ⅵ)的吸附。FT-IR、XPS表征结果表明,PCN中的含氮基团参与了PCN对U(Ⅵ)的吸附去除。     

基于多物理场耦合的U3Si2燃料与双层SiC包壳组合的轻水堆燃料性能分析

基于COMSOL平台开发了一套基于多物理场全耦合的燃料性能分析程序,并通过径向功率分布模型对比验证了该程序的正确性与准确性;然后进一步分析了U₃Si₂燃料与双层SiC包壳组合、U₃Si₂燃料与锆合金包壳组合在反应堆正常运行工况下的性能,并与UO₂燃料与锆合金的组合进行了对比分析。计算结果发现U₃Si₂燃料与锆合金包壳组合相比UO₂燃料与锆合金的组合具有更低的燃料中心温度、裂变气体释放量及内压,但气隙闭合时间会提前;而U₃Si₂燃料与双层SiC包壳的组合相比U₃Si₂燃料与锆合金的组合具有更高的燃料中心温度、更大的裂变气体释放量及内压,且随着燃耗的增加,其燃料中心温度大幅增加,与锆合金包壳相比,双层SiC包壳能够有效延迟气隙闭合,缓解燃料与包壳的力学相互作用。      

CO对金属铀表面氧化层影响研究

用Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）和气相色谱（ＧＣ）分析研究了ＣＯ对金属铀表面氧化层的影响。ＣＯ在表面氧化层上的吸附反应导致了Ｕ４ｆ峰向低结合能方向位移，氧化物中氧含量减少，原子比（Ｏ／Ｕ）比值下降了７．２％。体系中ＣＯ２体积分数增大１１．０％。研究结果表明，ＣＯ气氛可抑制金属铀表面的进一步氧化。     

离子镀膜法制备铀薄膜的表征

研究了离子镀膜法制备铀薄膜的性质,可为改善薄膜性能、完善过程模型、优化制备参数和提高制备效率提供依据。本工作通过扫描电子显微镜和X射线衍射分别测量了离子镀膜法制备铀薄膜的表面形貌和物相结构,通过俄歇电子能谱和X射线光电子能谱结合Ar+溅射深度剖析,对离子镀膜法制备铀薄膜的元素成分、化学形态及纵深方向的分布进行了分析。分析结果表明:制备的铀薄膜在基体上分布连续,主要物相为CaF2类型面心结构UO2,主要形态为UO2、金属U和FeUO4化合物。     

磁控溅射制备金属铀膜

研究了通过磁控溅射方法制备高纯金属铀膜的可行性。采用X射线衍射（XRD）、俄歇电子能谱（AES）、扫描电镜（SEM）、表面轮廓仪分析了沉积在单晶硅或金基材上铀薄膜的微观结构、成分、界面结构及厚度、表面形貌和表面粗糙度。分析结果表明：磁控溅射制备的铀薄膜为纯金属态,氧含量和其它杂质含量均低于俄歇电子能谱仪的探测下限;溅射沉积的铀镀层与铝镀层之间存在界面作用,两者相互扩散并形成合金相,扩散层厚度约为10nm。铀薄膜厚度可达微米级,表面光洁,均方根（RMS）粗糙度优于15nm。     

离子轰击对氮化铀表面氧化行为的影响

采用离子氮化技术制备得到一定厚度的氮化铀层,以不同能量的氩离子轰击考察氮化铀的辐照氧化行为,并与大气中的自然氧化行为进行对比,考察材料在辐照环境下的稳定性。结果表明,氮化铀表面经氩离子轰击后,表面形貌发生了改变;氩离子轰击氧化与大气中的自然氧化行为存在差异,离子轰击增强了氮化铀表面的氧化程度,但其对氧化行为的影响主要在浅表面,大气氧化的氮化铀氧化层更厚;随着氩离子轰击能量的增加,表面氧化物含量及氧化层深度显著增加。总体而言,氩离子辐照对氮化铀层的影响随深度的增加而减弱,并不影响氮化铀的整体稳定性。     

金属铀在氢氧化钠溶液中阳极氧化膜的XPS特性研究

采用X射线光电子能谱法（XPS）研究了金属铀在0．8mol/L NaOH溶液中阳极氧化膜的组成。结果表明，在本实验条件下，金属铀表面的阳极氧化膜主要由UO3和少量UO2 x组成；在超真空条件下，氧化膜中的部分 UO3逐渐还原成UO2 x。     

离子注入碳对铀表面初始氧化行为影响的研究

用俄歇电子能谱(AES)分别对高真空室中铀样品及多能量叠加离子注入碳铀样品与氧气吸附及初始氧化过程进行了研究.结果表明,在高真空室中,清洁铀表面很容易吸附氧化,发生氧化反应,当O2暴露剂量为40 L时,清洁铀表面就会形成一层UO2;离子注入碳后铀表面的抗氧化能力增强.     

First principles modelling of oxygen impurities in UN nuclear fuels

We report results of first principles VASP supercell calculations of O impurity in UN fuels placed either at an interstitial tetrahedral position or as a substitution for a host N ion. In the latter case O perfectly fits into N site producing no lattice distortion. Such the O substitutional impurity only slightly affects the formation energies of U and N vacancies nearby. In both interstitial and substitutional positions O atom attracts the additional electron density and transforms into the negatively charged ion. Oxygen incorporation into pre-existing N vacancy is energetically more favourable than into the interstitial position. The O impurities produce an additional peak at the low energy side of N contribution to the DOS calculated for uranium mononitride which could be used for the O identification by means of the UPS spectroscopy. We compare also the DOS calculated for UN and hypothetical isostructural UO. Both O solution and incorporation energies are negative, indicating that O penetration into UN fuel is the energetically favourable. The migration energy of the interstitial O ion is estimated as 2.8 eV.     

Si原子在CeO2(111)表面吸附与迁移的第一性原理研究

为探究Si原子在CeO₂(111)表面吸附的微观行为，采用第一性原理的方法研究了Si原子在CeO₂(111)表面的吸附作用、电子结构和迁移过程，计算了Si原子在CeO₂(111)表面的吸附能，最稳定及次稳定吸附位置的电子态密度与电荷密度分布、迁移激活能。计算结果表明：Si原子最易吸附于基底表层的O原子上，其中O桥位（O_bri）吸附作用最强，O顶位（O_t）和O三度位（O_h）吸附强度次之。Si原子仅对其最邻近的表层O原子结构影响较大，这与Si原子及其最邻近的O原子间电荷密度重叠程度增强的结果一致。Si原子最易围绕着O_t位从O_bri位向O_h位迁移，迁移所需激活能为0.849 eV。