First principles simulations on surface properties and reactivity of sustainable nitride nuclear fuels

Elektroniskā versija nesatur pielikumusUrāna mononitrīds UN ir viens no materiāliem, kuru var izmantot kā perspektīvu degvielu IV paaudzes kodolu reaktoriem. Tā kā UN paraugos vienmēr atrodas ievērojams daudzums skābekļa piemaisījumu, nepieciešams izprast O adsorbcijas mehānismu, kā arī tam sekojošo UN oksidēšanos. Mēs pirmo reizi veicām UN virsmas un tās mijiedarbības ar skābekli detalizētu pētījumu, izmantojot DFT PAW metodi VASP programmas ietvaros. U un N vakances veidošanās enerģijas, kā arī saites enerģijas virs UN virsmas adsorbētajiem skābekļa atomiem un molekulām tika apskatītas kopā ar lādiņu pārdalīšanos, elektronisko stāvokļu blīvumu un O atomu migrācijas trajektorijām. Veiktie aprēķini ļauj piedāvāt enerģētiski iespējamo mehānismu UN(001) virsmas daļējai piesātināšanai ar skābekli. Tas izskaidro eksperimentāli novērojamo vieglo UN oksidāciju gaisā. Atslēgvārdi: kvantu ķīmija, blīvuma funkcionāļa teorijas aprēķini, urāna mononitrīds, virsmas defekti, skābekļa adsorbcija.The uranium mononitride UN is a material considered as promising candidate for Generation-IV nuclear reactors. Due to considerable amount of aggressive oxygen impurities in UN samples, it is necessary to understand the mechanism of O adsorption and further oxidation of UN. The first detailed study of UN surface, including its interaction with oxygen, have been performed using DFT PAW method as implemented in the VASP computer code. The formation energies of U and N vacancies as well as binding energies of O atoms and molecules adsorbed atop the UN surface are discussed together with the charge redistributions, densities of states, and O atom migration trajectories. Calculations allow us to propose energetically feasible mechanism for the partial saturation of UN(001) surface by oxygen which can lead to easy UN oxidation observed in air. Keywords: Quantum chemistry, Density Functional Theory calculations, uranium mononitride, surface defects, oxygen adsorptio