铀氮化物电子结构及表面反应行为研究

Surface nitriding is one of the promise ways to improve the corrosion resistivity of uranium metal. However, the scattering knowledge on the crystal structure, phase stability, behaviors of surface corrosion of U-N system and the relationship among them still need to be recognized. As a light actinide element, the complexity induced by the strong correlation effect of uranium 5f electrons is still to be revealed, which also causes cognitive difficulties on the intrinsic properties and behaviors of uranium nitride. These insufficient recognition restricts the material design, process controlling and reasonable assignment of the corrosion resistivity on uranium surface, respectively. And this impedes the process of the nitriding technology on uranium surface modification. . Base on the issues mentioned above, experimental studies combined theoretical simulation are carried out for the investigation of electronic structure and surface behaviors of uranium nitrides, which intends to obtain the influence of electronic structure of uranium nitrides to its physical properties, surface behavior etc. The dependence of electronic structure, phase structure and surface behaviors of uranium nitrides will be established. The proposal is expected to amplify further understanding on the electronic properties of light actinides, optimize the technique of surface nitriding on uranium metal, and promote the engineering application of U-N system which is benefit to the improvement of the corrosion resistance of uranium surface. Crucially, the relevant results is expected to gain significant national defense value and social value.

表面氮化是提高金属铀抗腐蚀性能的有效方法之一，但铀-氮体系的晶体结构、稳定性及表面腐蚀行为等基础问题及它们之间的相互关系仍有待深入认识；且铀属于轻锕系元素,其5f电子的强关联效应导致其电子结构的复杂性，也造成对上述性质和行为内在规律认知的困难。这些认识的缺陷制约了铀表面氮化改性层的设计、工艺调控及对其耐腐蚀性能的合理评估，阻碍了氮化技术在金属铀表面改性工程中的应用。. 围绕上述几个问题，本项目拟从铀氮化物的成分结构调制出发，采用实验研究与理论模拟相结合的方式，开展铀氮化物电子结构与表面反应行为研究，掌握铀氮化物电子结构及其对基本物性、表面反应行为的影响规律，获得电子结构-晶体结构-表面性质的内在关联认识。本项目的开展将丰富对轻锕系元素电子特性的基础认识，支撑铀表面氮化改性工艺的优化，推动铀-氮体系在金属铀表面抗腐蚀性能提升中的工程应用，具有显著的国防与社会价值。

金属铀在国防、核能领域有着广泛而重要的应用，然而铀的化学性质十分活泼，在自然环境中极易腐蚀，可能对铀材料的使役性能造成重要影响。铀氮化物在铀材料防腐蚀方面具有突出的应用价值，然而铀-氮体系的晶体结构、稳定性及表面腐蚀行为等基础问题认识存在不足；铀原子5f电子的强关联效应导致其电子结构较为复杂，造成对上述性质和行为内在规律的认知存在困难。针对上述问题，本项目研究工作主要包括：（1）铀氮化物实验制备技术研究；（2）铀氮化物电子结构标定及结构理论模拟研究；（3）铀氮化物腐蚀反应产物表征与反应行为实验研究及相关反应微观过程理论模拟研究。. 研究工作取得了系列重要成果，包括：（1）掌握了铀表面离子氮化技术，制备了以U2N3为主要成分的铀氮化物层，发现离子氮化物层具有复合结构，浅表层分布有数纳米厚的UNxOy，内层为U2N3。首次利用脉冲激光技术在铀表面制备出了铀氮化物层，其具有复合结构，浅表层分布UO2-xNy，内层主要成分为UN。离子氮化、脉冲激光氮化技术具有各自的工程应用优势，具备较为显著的应用价值。（2）理论上获得了不同铀氮化物能量稳定性与N含量之间的关系，预测了UN、U2N3、UN2芯级电子能谱、价电子能谱等电子结构信息。实验上利用XPS、AES、EELS等分析、表征技术获得了铀氮化物及氧化产物的电子结构信息，实验、理论结果基本符合。实验上建立了电子结构与铀氮化物相稳定性、导热特性等关键性能间的关系，为铀氮化物及反应产物的鉴定提供了支撑，也为铀氮化物在O2、H2O气氛下的反应行为研究奠定了基础。（3）完成了U2N3、UN分别与O2、H2O、H2反应行为理论、实验研究，发现了致密、氧化惰性的含氧氮化物（UNxOy、UO2-xNy）是铀氮化物钝化层具有优异耐腐蚀性能的关键，加深了铀氮化物耐腐蚀机制、机理的理解。. 在项目研究成果的支撑下，逐步建立了体系化的铀材料表面防腐蚀技术装备，初步具备了多类型工件的全表面氮化改性能力，在铀材料表面防腐蚀领域已经展现出了显著的应用前景。