|
8-5 铀及铀铌合金与氢气的反应动力学邹乐西 孙 颖 齐连柱 杨锁龙 郎定木 郭文胜 李庆松金属铀具有很强的化学活性，容易与O2，H2和水等物质起反应。虽然铀与氧有着更强的亲和力，但是从腐蚀的影响程度来说，氢对金属铀的影响更大，由氢引起的金属铀的腐蚀是灾难性的。由于铀很活泼质，实验制备的样品表面一般都有一层氧化物钝化层（SPL），氢气要与铀或铀铌合金反应，就需要扩散通过铀表面生成的氧化层，这是铀块与氢气反应存在孕育期的原因。已有文献报道铀中加入少量铌明显增强了铀铌合金的抗氧化性能，铀铌合金与氢气的反应活性如何，值得系统研究。 本实验中铀氢反应实验不锈钢系统见图1。
铀及铀铌合金样品采用了低碳铀、高碳铀、铀铌合金，热处理后，根据铀氢反应和表面及形貌分析的需要，试样加工为适宜的尺寸，同时分析了试样的化学成分。铀氢反应使用的气体为高纯氢气，纯度为99.999%。 在加热预处理温度为600~700℃时，随加热预处理温度的升高，反应的孕育期呈现缓慢变化的趋势，铀- 2.3铌合金与氢气的反应受加热预处理温度的影响不显著，铀- 6铌合金与氢气的反应受加热预处理温度的影响较为显著，孕育期呈缓慢增大趋势；纯铀与氢气反应的孕育期呈现缩短的趋势，低碳铀与氢气的反应孕育期很长。高碳铀与氢气反应受反应温度的影响很大，在80~300℃之间，随着温度的升高，孕育期逐渐缩短，在80℃时，反应的孕育期较长，当温度超过240℃时，基本上没有孕育期。铀铌合金与氢气的反应与高碳铀相似，随着温度的升高，反应的孕育期逐渐缩短。 与高碳铀不同的是，当反应温度在160~300℃时，铀铌合金受反应温度的影响不显著，在该温度范围，反应的孕育期都较短。在加热预处理温度为600℃，反应温度为200℃时，纯铀和铀铌合金与氢气的反应出现差异，在该活化温度下，低碳铀与氢气基本上不反应，高碳铀在经过比较长的孕育期后开始发生反应；而铀铌合金都在比较短的孕育期后与氢气进行反应。在加热预处理温度为660℃、反应温度为160℃时表现出相似特性。在反应的线性阶段，铀-6铌合金与氢气反应的活化能更大，这说明氢在纯铀和铀- 6铌合金表面上扩散可能以不同的机制进行。 SEM 分析结果表明：氢主要在铀的夹杂周围或其它缺陷处沉降和成核，随着氢反应量的增加，生成的产物长大，成核点长大连成一片，并出现开裂，有少量掉粉。铀铌合金显示了相似的反应规律，但成核粒径似乎比纯铀的要小一些。高碳铀以及铀铌合金表面更多的缺陷和夹杂是其比低碳铀更易于与氢气反应的原因。 |
