铀富氮化物的结构调制方法及性能转化规律研究

This project is focused on the abnormal metallic properties of nitrogen-rich uranium nitride. First-principle method is used to analyze the crystal structure of nitrogen-rich uranium nitride, and predict the rule of its metallic properties. Film of uranium nitride is prepared by high density nitrogen ions interaction with uranium metal, and process parameters are varied to regulate film composition near the metal-insulator transition point of theoretical prediction. Variety methods are used to analyze the film microstructure, establish connection between composition and structure of nitrogen-rich uranium nitride, grasp the structure modulation method. The electronic structure and mechanical properties, thermal conductivity, resistance of uranium nitride would be analyzed. Combination of theory and experiment, contact of microscopic structure and macroscopic properties of uranium nitride would be established, and transformation of structure and properties would be understood. This work provides technical support for the study of uranium nitride fuel, and knowledge for actinides 5f electron research.

本项目针对铀富氮化物的异常金属性开展研究。利用第一性原理分析铀富氮化物晶体结构，预测其金属性出现规律。采用高密度氮离子与金属铀作用制备铀富氮化合物薄膜，通过改变工艺参数，调控薄膜成分在理论预测的绝缘体向金属转变点附近，利用多种分析手段测试薄膜微观结构，建立铀富氮化物成分结构之间的联系，进而掌握铀富氮化物的结构调制方法。分析铀富氮化物的电子结构，测试铀富氮化物的力学、热导、电阻等物理性能，获得其变化规律。结合理论与实验，建立铀富氮化物的微观结构与宏观性能之间的联系，深入的认识铀富氮化物的结构和性能转化规律，为铀氮化物燃料元件研究提供技术支撑，也为锕系元素5f电子特性研究提供知识储备。

利用纯氮气放电形成的等离子体与金属铀反应，成功制得铀富氮化物。XRD和AES分析发现随着氮气压力升高，反应产物出现氮含量升高，晶格常数减小的趋势。通过XPS数据的比较，认识到氮化铀中铀主要有两种价态，一种价态较低接近金属，为铀与过量氮气反应的产物U4N7；另一种价态稍高偏向陶瓷，是氮化物被氧掺杂导致。利用球差电镜和电子能量损失谱对铀氮化物精细结构进行研究。发现在同一个氮化铀晶粒中，氮、氧原子可以分享铀原子构成的四面体间隙位。由于氧原子是掺杂到氮化铀晶格中，所以XRD中只出现一种晶格结构；铀元素的近邻原子存在有氧和无氧两种情况，所以XPS中有两种价态。利用第一性原理对U4N7和UN2-xOx的态密度进行计算，对金属性的判断与XPS实验数据相同。本工作在铀富氮化物的基础研究中提出了新观点，为后续深入研究工作奠定基础，也为其它锕系化合物的研究提供借鉴。本单位正在开展以铀富氮化物作为金属铀耐蚀防护层的工程应用研究，本项目的研究成果为铀富氮化物的应用提供技术支撑。