PDF《超临界 CO》

第1 6卷第2期高压物理学报Vol.

16,N o .

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0 0 2年6月CH I N E S EJ OUR NA L O F H I GH P R E S S UR E P HY S I C S J u n e ,

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0 2 文章编号:

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7 3 (

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0 2 )

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0 7 超临界 C O 2与金属铀表面钝化 反应的热力学研究 * 薛卫东1,

3 , 朱正和1 , 陈长安2 , 邹乐西2 孙颖2 , 张广丰2 , 汪小琳2 ( 1.四川大学原子与分子物理研究所, 四川成都

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6 5;

2. 中国工程物理研究院, 四川绵阳

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1 9

0 0;

3. 四川师范大学, 四川成都

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6 6 ) 摘要:对超临界 C O

2 流体处理金属铀表面的钝化反应过程进行了热力学计算, 结果表 明: 钝化反应在超临界状态下能自发进行, 温度升高使钝化覆盖层物质的生成自由能负值降 低, 而压力增大有利于钝化覆盖层的形成. 关键词:超临界 C O 2;

钝化反应;

热力学计算 中图分类号:O

6 4 2.

1 文献标识码: A

1 引言超临界 C O 2( S u p e r c r i t i c a lF l u i dC O 2, S C FC O 2) 是在其临界点以上的无气液界面的流体, 具有很 强的溶解低挥发性物质的能力, 现已广泛用于超临界萃取和超临界清洗等领域.2 0世纪9 0年代初, 美 国发展了用超临界 C O

2 来清除钚部件表面的有机物的技术[

1 ] .近年来, 在国内也进行了相关研究.该 方法的优点在于溶剂不会残留在材料表面. 金属铀在核工业中应用广泛.但由于这类核材料的化学性质非常活泼, 极易与环境中的氧气、 水蒸 气等物质反应而氧化腐蚀, 导致核元件性能退化, 从而影响产品的使用.因此, 研究铀的表面氧化反应 及其机理一直是人们感兴趣的课题.要防止或延缓铀在大气中的腐蚀, 关键在于改变其表面的物理、 化 学性质, 以更有效地阻止或延缓腐蚀气体与金属铀的直接接触.目前已经发展了一些铀的防腐技术, 如 表面合金化、 离子注入铌[ 2] 、 阳极氧化、 P V D、 C V D 及表面涂层等.另外, 用CO

2、 C O 对铀样品表面钝 化处理后, 在大气中其表面氧化物生成速度变缓[ 3~7 ] , 汪小琳、 王红艳等[ 7,

8 ] 认为这是在金属铀表面形成 了致密而稳定的 UO

2 晶体.因此, 用超临界 C O

2 来处理铀表面, 既达到清除某些有机物的目的, 又可 能改善铀表面的防腐性能.我们通过对超临界状态下 C O

2 与金属铀反应的热力学计算, 来研究钝化反 应的热力学可能性, 以及温度和压力对该反应的影响.

2 计算方法 刘柯钊等[ 6] 用X射线光电子能谱( X P S )研究的结果显示, C O 2气体首先在清洁金属铀表面解离成 * 收稿日期:

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1 6;

修回日期:

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1 3 基金项目:国家自然科学基金(

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1 0 ) 作者简介:薛卫东(

1 9

6 3―) , 男,博士研究生, 副教授. 原子, 并与表面的铀原子键合成 U、 C、 O 三元素的某种结构, 然后在金属铀的表面逐渐解离形成氧化 铀、 碳化铀( 或含氧碳化铀) 和自由碳的覆盖层, 从而降低了金属铀表面的活性.实验表明, U、 C、 O 覆盖 层中可能有 UO

2、 U C、 C等物质存在.于是, 设计相应的铀金属表面钝化的反应方程式为 U ( α) +C O 2( g ) =UO 2( s ) +C ( G r a p h i t e ) ( a )

2 U ( α) +C O 2( g ) =UO 2( s ) + U C ( s ) ( b ) 上述反应在超临界状态下的热力学函数 Δ H、 Δ S、 Δ G, 以计算3