二氧化铀表面与环境中分子相互作用机理的理论研究

Due to the long-term risks associated with storage and disposal of used fuel, studies have examined the interaction of irradiated UO2 fuels with the geochemical and hydrologic environments of potential geological repositories. In order to understand the specific process and the interaction mechanism between uranium dioxide and environmental molecules at the atomic scale, the interaction progress between uranium dioxide and O2, H2O, as well as the typical acid or alkaline molecules (NH3, HCOOH) will be studied by first-principles calculation with orbital physics analysis. The expected results may help to better understand the mechanism and do help to the storage and disposal of the used UO2 fuel. The major features: (1) Based on the developed calculation methods, the.reaction channels can be precisely located. Since the surface electron transfer effects can be considered very well with this method, the reaction mechanism on UO2 surface can be revealed. (2) In order to reveal the surface defect effects, we will focus on the coupling of surface atomic structure, electronic configuration and orbital ordering induced by irradiation defects. Therefore, the challenge and.innovation coexisting in this project.

考虑到核废料以及乏燃料的长期存贮和处置的安全性，需要系统地研究UO2与环境分子的相互作用。本项目拟采用第一性原理计算结合轨道物理学的方法，研究二氧化铀与O2 、H2O以及典型酸碱分子(NH3和HCOOH)在表面的相互作用行为，以期从原子尺度上理解二氧化铀与环境分子相互作用的具体过程和机理，为核废料以及乏燃料存贮和处置的预处理中化学过程的理解提供一定的理论基础。主要特色：（1）基于新方法的精确反应通道搜寻，能考察反应中表面电子转移过程，更能揭示UO2表面反应机制。（2）重点研究辐照缺陷引起的表面原子结构、组分、电子排布和轨道序再构，揭示表面缺陷对UO2与环境分子相互作用的影响机制，挑战与创新性并存。

考虑到核废料以及乏燃料的长期存贮和处置的安全性，需要系统地研究锕系燃料与环境分子的相互作用。由于长期处在大量中子轰击的环境下，辐照后核燃料会发生核反应生成新的元素，本身成分发生变化，或在其内部形成大量缺陷，同时形成大量的表面和界面。这些新的元素和缺陷会随着时间长期向表面迁移和积累，并在表面与环境中的分子发生相互作用从而对材料的表面物化性质造成严重影响，威胁到锕系材料的稳定性。锕系氧化物如UO2、ThO2等是陶瓷型核燃料的主要成分。本项目主要围绕上述背景，开展了以铀、钍及其化合物为对象的系列研究。主要包含锕系化合物表面结构、缺陷及性质的理论研究；锕系化合物辐照缺陷及与环境相互作用的理论研究；锕系化合物极端环境下结构演化机制的理论研究；锕系离子在熔盐和汽相环境中的结构及性质。项目旨在理解反应堆运行、燃料循环、燃料输运过程中锕系材料结构、物性及与环境的相互作用行为。相关结果可为核燃料在极端服役环境下的结构和性能预测提供理论基础，为开发具有潜在应用前景的核燃料奠定基础。