第十五届全国表面工程大会

在压水堆核电站中，锆合金凭其优异的抗辐照性能及耐腐蚀性被广泛用于制造核反应堆中的燃料包壳材料。由于压水堆中一回路的高温高压环境，锆会和水反应生成氢，氢会溶解在一回路中，从而促进锆合金表面产生脆性氢化锆。燃料包壳表面的氢化锆会进一步引发氢脆失效的发生。氢化锆的沉淀及生长过程与氢脆过程有着紧密联系，然而，氢化锆表面的氢吸附机制尚不明确，为理解氢化锆的沉淀及生长过程带来困难。本工作基于第一性原理方法研究了氢化锆表面的氢吸附机制。理论结果表明，H₂首先在ZrH表面发生解离吸附，之后以H原子的形式和ZrH结合。H₂的解离吸附是Zr原子的d_xy和d_yz轨道转移0.82 e到H原子的s轨道引起的，Zr-H键的形成是由于Zr原子的d_xy轨道向H原子的s轨道转移0.34 e。对于H₂O来说，随着覆盖度的增加，H-O键从0.968 Å增加到1.012 Å，并且ZrH表面的d带中心从1.64 eV增加到1.679 eV，这表明H-O键的强度在减弱并趋于断裂，为ZrH表面提供了氢。结果为深入理解压水堆一回路锆合金表面氢脆过程提供了研究思路，为抑制氢脆行为提供理论依据。
 

氢脆; 氢化锆; 第一性原理计算; 表面吸附; 轨道键合