金属铀晶界氢致点蚀的原子尺度机制：基于第一性原理的氢行为研究

针对金属铀氢化腐蚀呈现点状分布且优先发生于晶界的特性，研究人员采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法，系统研究了氢在铀晶界的溶解、偏聚、扩散行为及其对晶界强度的影响。研究发现高能晶界对氢捕获能力更强，氢原子倾向晶界内横向扩散并削弱铀-铀键强度，从微观机制揭示了铀氢化腐蚀的晶界优先特性，为提升铀材料抗氢腐蚀性能提供理论支撑。

　　

金属铀作为具有重要战略价值的放射性材料，其氢化腐蚀问题一直是制约材料服役性能的关键瓶颈。令人困扰的是，这种腐蚀并非均匀发生，而是呈现独特的"点状分布"特征——就像被隐形画笔标记过的区域，氢化损伤总优先在晶界处成核生长。这种现象虽被大量实验观测所证实，但隐藏在原子尺度下的微观机制却始终笼罩着迷雾。

为揭开这一科学谜题，研究人员选择三种典型铀晶界（∑3[110]、∑5[001]和∑7[111]）作为研究对象，采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法，结合投影缀加平面波(PAW)和520eV截断能设置，系统解析了氢原子在晶界处的溶解能、偏聚能、扩散势垒等关键参数。通过第一性原理拉伸试验，定量评估了氢对晶界强度的削弱效应。

计算方法和模型
研究采用VASP软件包进行DFT计算，使用GGA-PBE泛函描述电子交换关联作用。通过构建正交晶系的α-铀超胞模型（计算晶格常数a=2.809?，b=5.851?，c=4.886?），采用Monkhorst-Pack方法划分布里渊区，确保计算精度与实验数据吻合。

晶界结构与晶界能
计算发现晶界能大小排序为∑5>∑3>∑7，这与晶界原子排列的致密程度直接相关。高能晶界展现更多结构畸变区域，形成能量有利的氢捕获位点。

氢的溶解与偏聚行为
关键发现包括：1）晶界能越大，氢原子整体溶解能越小（∑5晶界溶解能比体相低0.38eV）；2）氢在晶界处偏聚能呈现负值，说明存在自发偏聚趋势；3）铀原子6d轨道与氢1s轨道发生杂化，电荷转移分析证实∑5晶界铀-氢相互作用最强。

氢扩散特性
氢在晶界内的横向扩散势垒（0.12-0.25eV）显著低于向晶内扩散的势垒（>0.5eV），这种"横向锁定效应"解释了氢在晶界区域的长期富集现象。

氢对晶界强度的影响
第一性原理拉伸试验显示，氢溶解使晶界断裂功降低23%-41%。电子局域函数(ELF)分析表明，氢原子通过削弱铀-铀金属键的电子云重叠，导致晶界脆化，这是氢致晶界腐蚀的核心机制。

这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，首次从电子结构层面阐明了铀晶界作为氢腐蚀"热点"的原子尺度起源。不仅为理解铀材料氢化腐蚀的点蚀特性提供了理论框架，更为发展晶界工程等抗腐蚀策略指明了方向——通过调控晶界结构和电子态，有望阻断氢的偏聚通道，从而提升铀材料在苛刻环境中的服役稳定性。研究建立的DFT计算范式，还可推广至其他易氢脆金属体系的腐蚀机理研究。