孪晶和应力协同作用对铀氢腐蚀初始形核的影响

The metal uranium is widely used in nuclear project for its nuclear performance. However, uranium behaves poor corrosion resistance to environmental gases (such as oxygen, hydrogen and water vapor). The corrosion by hydrogen is a particularly typical situation, the reaction product, hydride (UH3), can pose safety issues exposed to an oxidising environment such as air (i.e. it can ignite and disperse radioactive material and perhaps cause a fire). On the other hand, uranium hydride sites may destroy the surface integrality by a volume expansion for the much lower density than that of the metal uranium. At room temperature the densities are 10.95 g cm-3 and 19.1 g cm-3 for uranium hydride and uranium, respectively, leading to material degradation, alteration of the mechanical properties and ultimately material failure. At this point, systematical investigation and fundamental understanding of U-H reaction is of great importance. It must be mentioned that until now, there isn’t a consensus view with regard to the mechanism of U-H reaction have been put forward, which made the investigation of hydrogen corrosion problems of uranium especially the nucleation problems to be absolutely necessary. In this work, the research work will be emphasized on the nucleation problem, the impact factor twinning will be cooperated with stress to study the nucleation of hydride corrosion of uranium. The results will be used in the aspect of uranium corrosion resistance study.

金属铀在核工程中具有重要应用，由于其化学性质非常活泼，导致其极易被环境气氛(如氧气、氢气和水汽)腐蚀，其中铀的氢腐蚀行为由于反应产物UH3粉末如暴露在氧化环境中会产生放射性污染并且有可能自燃，另外反应体积膨胀腐蚀坑会破坏材料表面完整性，致使材料力学性能降低甚至缺失。因此开展铀氢相互作用机制的研究工作对工程上解决铀氢腐蚀问题具有重要意义。但是目前国内外研究工作者对铀氢相互作用机制及其影响因素还未达成共识，尤其是对铀氢腐蚀初始形核机制上的认识并不充分。因此开展相关研究就显得极为必要。本课题拟针对铀氢初始形核问题，开展孪晶与应力的协同作用对初始形核的影响，获得影响机制。研究结果有利于科学认识铀氢相互作用，对铀氢的防腐蚀研究提供数据基础和指导方向。

金属铀在核工程中具有重要应用，由于其化学性质非常活泼，导致其极易被环境气氛(如氧气、氢气和水汽)腐蚀，其中铀的氢腐蚀行为由于反应产物UH3粉末如暴露在氧化环境中会产生放射性污染并且有可能自燃，另外反应体积膨胀腐蚀坑会破坏材料表面完整性，致使材料力学性能降低甚至缺失。因此开展铀氢相互作用机制的研究工作对工程上解决铀氢腐蚀问题具有重要意义。但是目前国内外研究工作者对铀氢相互作用机制及其影响因素还未达成共识，尤其是对铀氢腐蚀初始形核机制上的认识并不充分。本项目针对铀氢初始形核问题，以金属铀为研究对象，开展孪晶与应力的协同作用对初始形核的影响。项目针对不同热处理态和不同应变状态金属铀氢腐蚀开展了系统性的研究工作，重点关注了孪晶及组织结构与应力的协同作用对铀氢化物成核、生长的影响。结果揭示了金属铀氢化初始形核和腐蚀坑形态随热处理和应变条件的变化规律，同时阐明原因，即热处理和变形处理改变了材料内部的组织结构和应力分布，各状态金属铀氢腐蚀坑的扩张方式存在明显差别，主要为：高温热处理后随着冷却速率的加快，材料内部形成的孪晶数量增多，同时累积更大的应力，导致氢化反应造成的腐蚀坑的深度与直径的比值增大，腐蚀趋向垂直材料表面向其内部扩张；随压缩变形量的增大，材料内部孪晶密度增大的同时产生大量小角度晶界，氢腐蚀坑更易向内部扩张。通过该项目研究工作，给出了孪晶和应力的协同作用能够促进形核的发生并影响后续氢化物长大方式的证据；丰富了铀及铀合金氢腐蚀数据库，为铀氢腐蚀评价标准的建立提供关键数据，为后续工程上金属防腐蚀研究提供了新的实验依据和理论支撑。