氧化钚在空气中继续氧化腐蚀的机理及动力学研究

Plutonium, one of the forms in which most of the nuclear industry, have unique chemical and physical properties as well as the strong chemical reactivity. When exposed to moisture and atmospheric components, the metal surface readily corrodes. In-depth understanding of corrosion mechanism is the important basis of seeking effective plutonium surface corrosion resistance methods and the characteristics of the 5f electrons. Besides, explore the most stable plutonium oxide and whether PuO2 further oxide is also an important issue in plutonium science. The potentially dangerous of plutonium brings difficulties and risks to the experimental study, on the other hand, the development and application of surface anti-corrosion experimental techniques require basic research provide detailed and in-depth understanding of the microscopic mechanism. In the work, we preforming the theoretical calculations combined with ab initio molecular dynamics simulations, focusing on the investigate the molecular structure, electronic structure, chemical bonding, multiple bonds characterization and thermodynamic properties of PuO and PuO2 react with O2、H2O and NO2 small molecules. From the electronic structure level to explain the corrosion properties of plutonium and simulate the molecular reaction kinetics, getting the reaction rate and product formation time. Combining the available experimental works, the microscopic mechanism of plutonium corrosion can be reasonably evaluated, and provide a reliable theoretical basis for the interpretation of the practical corrosions of plutonium.

钚是核工业中重要的核材料之一，具有很强的活性，在空气中容易与O2和H2O等分子发生严重的腐蚀反应。对腐蚀机理及其动力学过程的准确理解是研究钚安全存储、废料处理以及5f电子特征的重要依据。此外，探究钚氧化物的最稳定形式以及PuO2是否进一步氧化也是钚科学中的重要问题。由于钚材料潜在的危险性，使得针对钚腐蚀机制的实验探究异常困难，而防腐蚀技术的发展和应用以及核废料的处理等方面都需要基础理论研究提供细致、深入的微观机理认识。本项目将采用密度泛函理论结合从头算分子反应动力学模拟，重点研究PuO及PuO2分子与大气中O2、H2O及NO2气体分子发生腐蚀反应后的产物分子结构、电子结构、多键特征以及热力学等性质。采用理论方法从电子结构水平出发研究相关反应机理并模拟分子反应动力学过程，给出反应速率和产物生成时间等数据。结合已有实验数据，正确评价腐蚀过程中的微观机制，为解释钚的实际腐蚀提供可靠的理论依据。

锕系元素以其独特的物理化学性质及在军事和能源领域战略应用而备受研究者关注。其中，钚作为重要的裂变核材料，具有很强的活性，容易与存储具有很强的活性，容易与存储气氛中O2和H2O等小分子发生反应，使材料严重腐蚀，这种腐蚀对于钚材料这种腐蚀对于钚材料的长期存储是极为不利。因此，钚的表面物理与化学性质研究成为广泛关注的热点议题。其中，腐蚀过程是核材料防腐蚀技术的核心化学之一，而氧在空气中继续腐蚀氧化的机理及动力学过程是这一核心问题。. 本项目采用过渡态理论方法、拓扑分析和子动力学模拟三种方法相结合，获得了PuO及 PuO2在空气中继续腐蚀氧化的微观反应机制；腐蚀产物的分子结构、产物的结构、产物分子中原子间相互作用特征，并对5f电子在腐蚀过程中的作用进行了评估。通过本项目的实施，深入理解了 PuO 及 PuO2在空气中继续腐蚀氧化行为，为寻求抑制或减缓这种腐蚀提供理论指导。此外，我们总结完善了适合描述锕系核材料腐蚀机理的研究方法，并将此方法用于其它锕系元素腐蚀的研究中。