【摘要】 本文通过原位高温环境扫描电镜（HT-ESEM）研究UC氧化过程，揭示两种氧化路径及爆炸性转化机制。科学指南针提供专业材料表征服务，支持高温原位测试。【科学指南针·材料分析】

【科学指南针·材料分析专题】通过原位高温环境扫描电子显微镜（HT-ESEM）对烧结UC碎片的氧化过程进行研究，揭示了在723–848K温度和10–100Pa氧气环境中UC向UO2及UO2向U3O8转化的形态变化机制。本研究明确了两种典型氧化路径，为核材料行为分析提供重要参考。

 

实验方法与条件

研究采用原位HT-ESEM技术，在可控温度（723–848K）和氧气分压（10–100Pa）条件下观察UC氧化过程。通过图像分析追踪样品面积膨胀和裂纹扩展行为，并结合高分辨透射电镜（HRTEM）对氧化产物进行表征。

图1展示723K、10Pa氧气环境中UC碎片的SE图像分析结果，黄色区域为膨胀与裂纹追踪区域，骨架化处理用于量化裂纹长度。

 

两种氧化路径的对比分析

路径一：非爆炸性氧化（UC→UO2）

在723K、25Pa氧气条件下，UC氧化过程分为三个阶段：

1.诱导期：仅表面UC颗粒发生氧化反应；

2.面积扩张期：样品面积扩大，伴随裂纹形成与扩展；

3.稳定期：裂纹扩展停止，总裂纹长度趋于稳定。

该路径下氧化产物以UO2为主，样品膨胀符合对数增长规律，时间常数t1为740±49秒。

路径二：爆炸性氧化（UC→UO2→U3O8）

在723K（50Pa氧气）或773–848K（10–100Pa氧气）条件下，氧化过程呈现爆炸性特征：

1.瞬时膨胀：氧气进入反应室后样品面积指数级增长；

2.裂纹网络化：裂纹以网状扩展，导致氧化层碎裂；

3.爆米花状转变：UO2向U3O8转化伴随自蔓延高温合成（SHS）反应，蔓延速度达150–500±50mm/s。

HRTEM分析表明U3O8晶体优先沿[001]方向生长，爆炸路径时间常数t1为470±14秒。

 

氧化机制的理论模型

研究提出UC氧化理论模型（图9），区分两种路径：

  • 路径1：温和氧化，形成致密UO2层；

  • 路径2：高氧化速率导致样品碎裂，增加反应表面积，引发SHS反应。

爆炸性路径的触发与样品临界状态相关，高氧化速率下裂纹指数增长是关键诱导因素。

 

科学指南针材料表征服务支持

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