《Journal of Nuclear Materials》：The in situ study of reactive kinetics of uranium in dry and humid atmospheres by thermogravimetric technique
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•在微克级分辨率下原位研究腐蚀动力学•区分不同的腐蚀阶段及其对应的动力学模型•在U-干燥空气反应系统中提出过渡阶段的线性反应模型引言铀材料在核能工业和国防领域发挥着至关重要的作用[[1], [2], [3], [4], [5]]。由于其高能量密度和相对较低的环境污染，铀基材料
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在微克级分辨率下原位研究腐蚀动力学
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区分不同的腐蚀阶段及其对应的动力学模型
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在U-干燥空气反应系统中提出过渡阶段的线性反应模型
引言
铀材料在核能工业和国防领域发挥着至关重要的作用[[1], [2], [3], [4], [5]]。由于其高能量密度和相对较低的环境污染，铀基材料已成为核能应用中不可或缺的组成部分。在国防方面，铀的高放射性和裂变能力使其能够作为核武器的关键组件。然而，这种高活性也使铀在氧化环境中容易氧化和腐蚀，即使在室温下也是如此[2,[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]，这可能会降低其性能并带来环境污染风险。由于铀的核性能与其化学成分密切相关，全面了解铀基材料的氧化腐蚀对于预测核材料的长期稳定性以及指导优化性能的铀材料设计至关重要。
目前已开发出多种方法来研究铀材料在氧化条件下的腐蚀过程和机理，包括光谱法[3,4,[13], [14], [15]]、氧消耗测量法[4]和重量分析法[16]。光谱椭偏术和反射光谱分别利用光的偏振和干涉来测量铀表面形成的氧化物层厚度，进而转换为氧化速率，从而监测腐蚀过程。这两种技术具有埃级的精度，适用于分析数十纳米量级的氧化层。氧消耗法使用氧传感器追踪气态氧浓度变化，实现基于氧吸收的原位原位腐蚀速率测定。重量分析法直接测量氧化导致的增重，用于研究反应动力学。这些方法有助于识别铀材料在氧化环境中暴露时的不同腐蚀阶段及对应的动力学机理。特别是初始抛物线阶段和线性阶段已得到广泛表征，突出了不断生长的氧化层和周围气体环境对整体腐蚀过程的关键影响[3,4,14,17,18]。
尽管取得了这些成就，由于缺乏能够监测整个腐蚀过程的合适方法[3,4]，全面捕捉氧化过程的特征并阐明其潜在机理仍然具有挑战性，尤其是抛物线阶段和线性阶段之间的过渡阶段。尽管光谱椭偏术和反射光谱具有高精度，但它们仅限于紧凑的氧化层，无法表征有裂纹或撕裂的氧化层。氧消耗法虽然成熟且对常规测量具有高度敏感性，但在用于极低氧吸收水平（初始氧化阶段）时可能需要仔细的密封和温度控制；在这种苛刻条件下，其分辨率可能受到传感器灵敏度的限制。重量分析法虽然成熟且支持原位气氛调节，但在高温下应用时可能会引入额外的操作复杂性，因为在这样的高温下通常无法使用高分辨率天平。因此，系统地研究完整的氧化过程对于全面了解潜在机理至关重要。
热重技术能够以微克分辨率检测质量变化，在监测铀材料腐蚀过程中的动力学演化方面具有高灵敏度[19]。此外，其可编程温度控制和可调气体环境能够模拟各种储存条件。因此，热重分析是研究铀材料腐蚀机理的一种非常适合的方法（图1）。利用这些优势，基于热重技术建立了反应动力学系统，以原位原位监测铀的腐蚀行为。高测量分辨率能够清晰地区分不同的氧化阶段，每个阶段都指示了一种主要的反应机理。具体而言，观察到了一个线性过渡阶段，这归因于氧化层增厚和开裂之间的竞争过程。我们的工作展示了如何利用热重技术研究腐蚀动力学，并深入探讨了铀材料氧化的丰富物理过程。
章节摘要
样品制备
铀样品为贫铵，碳含量低于150 ppm。总杂质浓度低于500 ppm，采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测量。主要杂质元素为碳、钙、钨、铁、铝和钼。铸造后，将铀样品切割成直径10 mm、厚度4 mm的圆盘。样品依次使用250目、800目和2000目碳化硅砂纸进行研磨
结果与讨论
在干燥和潮湿气氛下获取铀反应的完整动力学阶段的关键在于对氧化层厚度的高灵敏度监测。高精度热重技术通过以微克级分辨率实时监测铀的微小质量变化，为全程铀反应动力学研究提供了可能。因此，基于高精度
结论
总之，本研究利用高分辨率热重分析，系统研究了控制条件下铀材料的氧化腐蚀动力学。整个氧化过程被清晰地划分为三个不同的阶段——初始抛物线阶段、过渡线性阶段和最终线性阶段，每个阶段由特定的机理控制。初始阶段主要由氧通过不断增长的氧化层的扩散主导，导致抛物线动力学。随着
CRediT作者贡献声明
姜焦来：概念化、方法学、撰写——审阅与编辑。张生平：撰写——审阅与编辑、研究。王悦：研究。邓辉：概念化、撰写——审阅与编辑、资源。李海波：资源。王少飞：资源。丁千：研究。程亮：研究。罗文华：概念化、监督、项目管理。
利益冲突
作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。
附录A. 补充数据
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