燃料包壳铬涂层中氧和氢扩散行为研究

作     者：龚恒风 严俊 李思功 刘洋 陈蒙腾 任啟森 薛佳祥 廖业宏 GONG Hengfeng;YAN Jun;LI Sigong;LIU Yang;CHEN Mengteng;REN Qisen;XUE Jiaxiang;LIAO Yehong

作者机构：中广核研究院有限公司核燃料与材料研究所深圳518033 

基　　金：国家重点基础研究发展计划(No.2017YFB07024001)资助 

出 版 物：《核技术》 (Nuclear Techniques)

年 卷 期：2024年第47卷第9期

页      码：135-140页

摘      要：在压水反应堆中,锆合金包壳与水发生腐蚀化学反应,会对包壳的机械性能产生不利影响,从而限制燃料元件的使用寿期。为了减缓包壳氧化速率,防止氢气燃爆风险的发生,人们提出了事故容错燃料的概念设计。金属铬具有优异的抗腐蚀氧化性能,作为包壳涂层已备受核电领域的广泛关注。目前,铬涂层耐高温腐蚀氧化行为微观机理研究尚不清楚,亟须开展相关研究。本文采用第一性原理方法从电子尺度探索了铬晶体中氧和氢的扩散机理。研究表明,氧的最稳定占位是八面体间隙,氢更倾向于占据四面体间隙。氢的溶解度远低于氧的溶解度。氧在间隙的溶解能为负值,表明氧与近邻铬之间存在较强的相互吸引。进一步采用弹性带方法计算氧和氢的反应扩散路径和迁移能垒。氧沿着四面体间隙至八面体间隙的反应路径扩散,迁移能垒为0.18 eV,而氢更容易沿着四面体间隙至第一近邻的四面体间隙的反应路径扩散,迁移能垒为0.79 eV。同时,氧沿着四面体间隙至第一近邻八面体间隙的反应路径扩散,迁移能垒为0.65 eV。这表明氧倾向于沿着四面体间隙至八面体间隙的反应路径扩散。氢在铬中的迁移能垒为0.17 eV。进一步结合阿伦尼乌斯扩散方程,拟合出温度与扩散系数的变化关系,为涂层高温腐蚀性能实验研究提供理论支持。

主 题 词：密度泛函理论 溶解能 反应路径 迁移能垒 

学科分类：07[理学] 070205[070205] 0702[理学-物理学类] 

核心收录：

D　O　I：10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.090603

馆 藏 号：203143854...