Propiedades de superficies de Zr hexagonal y ZrO2 tetragonal de bajo índice a partir de cálculos DFT

Abstract

RESUMEN El uso de los reactores nucleares como fuente de energía se ha extendido y consolidado en la segunda mitad del siglo XX y en los inicios de este siglo XXI. La continuidad de este recurso depende en gran medida de que las plantas nucleares sean cada vez más seguras y confiables, lo cual implica un mejoramiento de todos los aspectos relacionados con su operación. Entre ellos se cuenta la integridad de los elementos estructurales, que depende fuertemente de la estabilidad mecánica de los óxidos protectores. En las centrales CNA I y CNA II el Zircaloy-4 (aleación base Zr con adiciones de Sn, Fe and Cr) se utiliza en los canales refrigerantes. Sin embargo, esta aleación presenta problemas de corrosión que, por ejemplo, motivaron el reemplazo de los canales refrigerantes de CNA I en 1988. En este trabajo analizamos desde la teoría de la funcional densidad (DFT) las propiedades de superficies de bajo índice de Zr hexagonal y de la superficie (001) observada experimentalmente en circonia tetragonal. Nuestros resultados predicen a la superficie libre de Zr (1120) y a la de ZrO2 (001) terminada en O con subsuperficie de Zr como las más estables. Además encontramos que las superficies Zr(1010) tienen la mayor inhomogeneidad de la distribución de carga, lo que favorecería el crecimiento del óxido. Esta observación coincide con la evidencia experimental, que indica que la interfaz observada del óxido protector es Zr(1010)/ZrO2(001).

Atomic‐Scale Investigations of H3BO3and LiOH on Zr(0 0 0 1) Surface: A DFT Study

“…However, the charge distribution of the second Zr layer is relatively stable. [ 42 ] It can be seen from Table S1, Supporting Information that, during the adsorption of H 3 BO 3 molecules parallel to the Zr(0 0 0 1) surface, the initial charge of O1, O2 and O3 in H 3 BO 3 are −0.87, −0.86, and −0.86, respectively. Nevertheless, after the adsorbates interact with Zr matrix, corresponding charges decrease to −0.76, −0.76, and −0.77, which means that the charge transfer between O atom and Zr atom is weak.…”

“…Thus, the bond strength of the second Zr layer can be enhanced. [29,42] Figures 10 and 11 exhibit the PDOS of each element in the configurations of LiOH molecule parallel and perpendicular to the Zr(0 0 0 1) surface, respectively. The position of s and p orbital peaks of H, Li, O elements have down shifted to lower energy relative to Fermi level, while in the Zr atom, the position of s and p orbital peaks show slight change.…”

Strong pressure dependence of the valence band maximum in tetragonal ZrO2

“…Despite the more than 50 years of experience [1,2], hydrogen pickup and protective oxide stability remain as the main limitations determining the range of applicability for these compounds. The search for stable solutions to both problems has recently inspired many studies even using atomistic simulations [3][4][5].…”