Nb和Sn含量对锆合金氧化Pilling-Bedworth比影响的第一性原理研究

锆合金的耐蚀性能是影响其作为反应堆燃料包壳材料服役寿命的关键,Pilling-Bedworth(PB)比是反映锆合金腐蚀氧化过程的重要参数。采用第一性原理计算研究了Nb和Sn含量对锆合金氧化PB比的影响。首先分别计算了纯Zr、含Nb和Sn锆合金氧化成t-ZrO2与m-ZrO2的PB比;接着,研究了含Nb和Sn锆合金不同相结构含量对PB比的影响。结果表明:Nb的添加使锆合金的PB比减小,而Sn的添加使锆合金的PB比增大。最后,计算了商用Zr-Sn系Zr-4、Zr-Nb系M5、Zr-Sn-Nb系ZIRLO锆合金的PB比,发现M5合金的PB比低于Zr-4和ZIRLO合金。

Zr-Sn-Nb锆合金氧化膜中典型相结构的第一性原理研究

采用第一性原理计算和热力学方法,研究了Zr-Sn-Nb合金氧化膜中典型氧化物m-ZrO_(2)、t-ZrO_(2)、t-SnO、t-SnO_(2)、t-NbO_(2)和m-Nb_(2)O_(5)的热稳定性,探讨了O化学势以及腐蚀介质的温度和压力对氧化物稳定性的影响。结果表明:氧化物稳定性由强到弱的顺序为Zr氧化物、Nb氧化物和Sn氧化物,氧化膜中典型析出相β-Nb的氧化速率小于Zr基体,与试验结果相吻合;贫氧区NbO_(2)和SnO比较稳定,而富氧区Nb_(2)O_(5)和SnO_(2)比较稳定,这与试验中NbO_(2)常出现于氧化性较弱的去离子水环境中,而Nb_(2)O_(5)常出现于氧化性较强的碱性水中的结论相一致。

Zr-Nb系合金氧化膜的相图计算与热力学分析

为了理解锆合金耐腐蚀性能,评估了文献中Zr-Nb-O体系的相图及热力学信息,并利用Pandat软件进行了热力学优化。在此基础上采用相图计算方法,研究了具有不同Zr、Nb、O含量的化合物,获得其相结构及其含量。结果表明:锆合金氧化膜主要相结构是单斜ZrO_(2),这与前人的试验结果一致。进一步揭示了氧化膜相结构演化规律,阐述了前人试验中氧化膜的不同相结构形成机制。另外,利用第一性原理计算方法,从原子层次揭示了锆合金氧化膜中各种相结构随成分变化的原因。最后,分析了锆合金氧化膜相结构的相图计算结果与试验结果的差异。

Sn在锆合金氧化膜中稳定价态的第一性原理研究

合金元素在锆合金氧化膜中的稳定价态对研究氧化膜的微观结构有着重要意义。采用第一性原理计算方法研究了Sn在锆合金氧化膜中的稳定价态。结果表明:通过缺陷形成能计算及电子结构分析,可以获得合金元素在锆合金氧化膜中的稳定价态。Sn在m-ZrO和t-ZrO中的稳定价态均为+4价,说明锆合金氧化膜发生相变不会改变Sn的稳定价态。