Температура и энтальпия плавления нанооксидов UO₂ и ThO₂ различной морфологии

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В настоящей статье термодинамическим методом изучена зависимость температуры плавления и энтальпии плавления от характерного размера и морфологии нанообъектов, состоящих из UO₂ и ThO₂. Показано, что влияние характерного размера и морфологии на энтальпию и температуру плавления нанообъектов UO₂ и ThO₂ становится заметным, когда их характерный размер составляет менее 20 нм. Резкое снижение температуры плавления происходит, когда характерный размер наночастиц, нанопроволок и тонких пленок UO₂ и ThO₂ составляет менее 5, 4 и 3 нм соответственно. Во всех случаях размерный эффект уменьшается в последовательности сферические наночастицы – нанопроволоки – тонкие пленки. Установлено, что при объединении отдельно стоящих наночастиц UO₂ и ThO₂ в наноструктурированные нанообъекты размерный эффект также уменьшается. Результаты расчетов, полученные в настоящей работе, хорошо согласуются с результатами расчетов, полученных методом молекулярной динамики и экспериментальными данными, доступными в литературе.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. П. Чернышев

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН; Новосибирский государственный технический университет

Author for correspondence.
Email: alfred.chernyshev@solid.nsc.ru
Russian Federation, Новосибирск; Новосибирск

References

  1. Spino J., Santa Cruz H., Jovani-Abril R. et al. // J. Nucl. Mater. 2012. V. 422. P. 27. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2011.11.056
  2. Khanal L.R., Sundararajan J.A., Qiang Y. // Energy Technol. 2020. V. 8. P. 1901070. https://doi.org/10.1002/ente.201901070
  3. Leduc J., Frank M., Jürgensen L. et al. // ACS Catal. 2019. V. 9. P. 4719. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b04924
  4. Amidani L., Plakhova T.V., Romanchuk A. Yu. et al. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. V. 21. P. 10635. https://doi.org/10.1039/C9CP01283D
  5. Gerber E., Romanchuk A. Yu., Pidchenko I., et al. // Nanoscale. 2020. V. 12. P. 18039. https://doi.org/10.1039/D0NR03767B
  6. Bonato L., Virot M., Dumas T.A. et al. // Nanoscale Adv. 2020. V. 2. № 1. P. 214. https://doi.org/10.1039/C9NA00662A
  7. Moreau L.M., Herve A., Straub M.D. et al. // Chem. Sci. 2020. V. 11. P. 4648. https://doi.org/10.1039/C9SC06117G
  8. Shi F.G. // J. Mater. Res. 1994. V.9. P. 1307. https://doi.org/10.1557/JMR.1994.1307
  9. Jiang Q., Wen Z. Thermodynamics of Materials. Berlin Heidelberg Higher Education Press, Beijing and Springer-Verlag, 2011, 298 p.
  10. Yang C.C., Mai Y.-W. // Materials Science and Engineering R: Reports. 2014. V. 79. P. 1.
  11. Боярченков А.С., Поташников С.И., Некрасов К.А., Купряжкин А.Я. // Расплавы. 2012. № 2. С. 32. Boyarchenkov A.S., Potashnikov S.I., Nekrasov K.A., Kupryazhkin A. Ya. // Russian Metallurgy (Metally). 2012. V. 8. № 8. P. 676. https://doi.org/10.1134/S0036029512080034
  12. Boyarchenkov A.S., Potashnikov S.I., Nekrasov K.A., Kupryazhkin A.Ya. // J. Nucl. Mater. 2012. V. 427. P. 311. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.05.023
  13. Махмуд-Ахунов Р.Ю., Тихончев М.Ю., Светухин В.В. // Журн. Техн. физики. 2013. Т. 83. № 8. С. 8. Makhmud-Akhunov R. Yu., Tikhonchev M. Yu., Svetukhin V.V. // Technical Physics. 2013. V. 58. № 8. P. 1094. https://doi.org/10.1134/S1063784213080197
  14. Cappia F., Hudry D., Courtois E. et al. // Mater. Res. Express. 2014. V. 1. P. 025034. doi: 10.1088/2053-1591/1/2/025034
  15. Cappia F., Jovani-Abril R., Spino J. et al. // Prog. Nucl. Energy. 2014. V. 72. P. 11. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2013.10.018
  16. Wilde G. // Advanced Engineering Materials. 2021. V. 23. P. 2001387. https://doi.org/10.1002/adem.202001387
  17. Guéneau C., Chartier A., Fossati P., et al. Comprehensive Nuclear Materials. V. 7. Amsterdam: Elsevier, 2020. P. 111–154. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.11786-2
  18. Manara D., Ronchi C., Sheindlin M. et al. // J. Nucl. Mater. 2005. V. 342. P. 148. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2005.04.002
  19. Konings R.J.M., Beneš O., Kovács A. et al. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2014. V. 43. P. 013101. https://doi.org/10.1063/1.4825256
  20. International Atomic Energy Agency. Thermophysical properties database of materials for light water reactors and heavy water reactors. Final report of a coordinated research project 1999–2005, Non-serial Publications / Ed. by Cognet G., Efanov A., Fortov V. et al. Vienna, IAEA-TECDOC-1496, IAEA, 2006. 397 p.
  21. Gilvarry J.J. // Phys. Rev. 1956. V. 102. № 2. P. 308. https://doi.org/10.1103/PhysRev.102.308
  22. Бацанов С.С. // Журн. физ. химии. 2012. Т. 86. № 11. С. 1890. Batsanov S.S. // Russ. J. Phys. Chem. V. 86. P. 1759. https://doi.org/10.1134/S0036024412110052
  23. Leinders G., Cardinaels T., Binnemans K., Verwerft M. // J. Nucl. Mater. 2015. V. 459. P. 135. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.01.029
  24. Zhu Y.F., Lian J.S., Jiang Q. // J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. P. 16896. https://doi.org/10.1021/jp902097f
  25. Zhu Y.-F., Zhao N., Jin B. et al. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2017. V. 19. P. 9253. https://doi.org/10.1039/C6CP08061H
  26. Hall R.O.A., Mortimer M.J. // J. Nucl. Mater. 1987. V. 148. P. 237. https://doi.org/10.1016/0022-3115(87)90017-1
  27. Jin M., Khafizov M., Jiang C. et al. // J. Phys. Condens. Matter. 2021. V. 33. P. 275402. https://doi.org/10.1088/1361-648X/abdc8f

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Dependences of the melting temperature on the characteristic size (D) of nanoobjects consisting of UO₂ (a) and ThO₂ (b). Nanoobjects of three types: nanoparticles (d = 0), nanowires (nanofibers) (d = 1), thin films (d = 2). Results of calculations using the molecular dynamics method: MOX-07 (▼), Goel-08 (♦), Yakub-09 (○) [11] and B-M (■) [13].

Download (97KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependences of the enthalpy of melting on the characteristic size (D) of nanoobjects consisting of UO₂ (a) and ThO₂ (b). Nanoobjects of three types: nanoparticles (d = 0), nanowires (nanofibers) (d = 1), thin films (d = 2). Results of calculations using the molecular dynamics method: MOX-07 (▼), Goel-08 (♦), Yakub-09 (○) [11].

Download (94KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependences of the melting temperature on the characteristic grain size of nanostructured oxides ThO₂ and UO₂. The experimental value from [14] is designated as (○).

Download (69KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependences of the enthalpy of melting on the characteristic grain size of nanostructured oxides ThO₂ and UO₂. Consequently, in accordance with the Lindemann melting criterion (1), the melting of nanocrystalline structures occurs at higher temperatures than the melting of the corresponding free-standing nanoparticles.

Download (81KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences