6-47  铀铌合金与O₂表面反应的XPS研究

伏晓国  刘柯钊  汪小琳  钟永强  赵正平

金属铀与O₂，CO，CO₂和H₂O(汽)等的表面化学腐蚀，特别是初始反应阶段的化学反应进程及机理，国内外已采用AES，XPS，SIMS和XRD等多种技术作了较为系统的研究。结果表明，O₂在清洁铀表面吸附后迅速解离并与表面铀原子结合生成UO₂，饱和吸附（40L，1L=1.33×10^-4Pa^.s）后，吸附的O₂继续解离并以O^2- 离子的形式向氧化层下扩散，在UO₂/U界面与U结合生成亚化学剂量的UO_2-x 。铀的合金如U-Ti，U-Fe和U-Al系的相关研究工作也有零星的报道。铀铌合金是重要的铀合金之一，少量Nb的加入改善了金属铀的物理化学性能，而目前铀铌合金在大气中的初期氧化行为及机理研究还存在许多空白。运用PHI-5600ESCA谱仪研究铀铌合金在O₂气氛中的表面化学行为，并探索其初期氧化机理。

    实验结果表明，298K时O₂在铀铌合金清洁表面吸附解离后迅速与表面的铀、铌原子结合生成UO₂，UO_2-x和NbO，进一步氧化将导致NbO₂和Nb₂O₅的产生，图1和图2中，曲线1~4分别为Nb，NbO，NbO₂，Nb₂O₅。铀铌合金中表面铀元素的氧化与纯铀类似，

氧化过程中没有发现UO和UO_2+x存在的证据。原位氧化过程中，当生成UO₂和NbO时(O₂暴露量小于40 L)，铀向表面偏析。随着Nb₂O₅的不断增加，铌开始向表面偏析（如图3）。O₂吸附初期，纯铀、铀铌合金和纯铌吸附速率和粘附系数顺序增大。理论计算表明，氧化初期铀铌合金表面氧化膜的增长速率较纯铀快（如图4）。