锕系氧化物与稀有气体相互作用的理论研究
发布时间：2021-02-13 20:21
随着核能技术的大力发展和应用,人们迫切需要了解锕系材料的基本物理和化学性质,尤其是稀有气体对其结构和物性的影响。本文以强关联电子体系锕系氧化物与稀有气体间复杂化学键的理解和预测,这一核能领域的重要应用问题和凝聚态物理领域的前沿基础科学问题为出发点,在传统密度泛函理论（DFT）计算的基础上,应用先进的计算方法,包括DFT+U、范德华力修正、第一性原理分子动力学等,准确理解锕系氧化物（UxOy）的电子结构、磁学和相稳定性等基础性质,探讨稀有气体（RG）与锕系氧化物及其表面之间的化学键和扩散特性,以及对其相稳定性和电子性质的影响,了解环境对上述化学键和物理性质的影响,获得锕系氧化物与稀有气体相互作用的化学性质与其5f电子特征之间的内在联系。本文首先测试了采用RPBE+U+VDW-D3方法对强关联体系的弱相互作用进行描述的可靠性,确定了描述强关联体系中弱相互作用的研究方法。计算了不同惰性气体原子在UO2（111）表面上的吸附以及在体相原胞内部的掺杂,对比了几类常用泛函（例如PBE、PBEsol、RPBE以及revPBE）和范德华...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
先进核燃料循环概念示意图[12]
第一章绪论3它被包裹在二氧化铀之中，会造成材料的变形。因此，锕系元素与稀有气体相互作用的理论分析，尤其是锕系元素独特的5f电子结构和丰富的物理化学特性[18,19]，对核燃料的储存，使用以及核废料的处理都用很重要的理论指导意义。从1946年至今，金属核燃料一直在被使用。铀-235是人类最早使用的核裂变材料之一，金属态的铀在反应堆内的主要缺点为：温度升高的过程中，尺寸不稳定、易发生肿胀、化学稳定性较差、金属铀的蠕变速度会因辐照而大幅度增加。钚-239是人造的易裂变元素，拥有比金属铀更小的临界质量，在水环境中，仅需要650克的钚元素即可发生临界事故。金属态的钚熔点仅为640℃，并且比较脆弱；加热过程中有较多的同素异形体、结构变化复杂、导热系数较低、线性膨胀系数较大、且各向异性明显、稳定性差、极其容易被氧化。由于这些缺点的存在，金属钚不适合单独作为核燃料，通常以氧化物的形式与氧化铀共同使用。二氧化铀是常见的核燃料，熔点高达2865℃，晶体结构为立方面心型，抗辐照稳定性好。虽然质地脆弱，密度与导热系数较低，容易因为大温度梯度的热应力而造成开裂，但其优良的特性依然被广泛的适用于核燃料中。二氧化铀核燃料如图1-2所示。图1-2二氧化铀，图片来自维基百科综上所述，锕系氧化物作为核燃料时存在着较大的改进空间，并且由于其毒性与放射性对实验观察造成巨大的阻碍，因此，对其进行系统的理论研究有助于人们更好的其物理与化学性质[21]。为锕系材料表面改性工艺的设计和改进提供支持。1.3国内外研究概况、水平和发展趋势
电子科技大学硕士学位论文18接着我们对不同版本的弱相互作用修正方法（opt86,DFT-D2methodofGrimme,zerodampingDFT-D3methodofGrimme）进行测试，在使用opt86版本的范德瓦尔斯力修正时，我们发现He在UO2(111)表面的吸附能多达+0.437eV，并不符合稀有气体与锕系表面弱相互作用这一结果，另外，我们还对DFT-D2methodofGrimme，zerodampingDFT-D3methodofGrimme版本的范德瓦尔斯力修正，计算结果均处于弱相互作用范围，为了使结果更加贴近真实环境，我们选择了考虑了阻尼作用的zerodampingDFT-D3methodofGrimme版本的范德瓦尔斯力修正。在与稀有气体的弱相互作用计算过程中，使用了VDW-D3版本的范德瓦尔斯力修正，截断能设置为650eV。布里渊区中的k点的选择依体系不同而变化，如对体相，原子力的收敛判据为0.02eV/，原子结构优化中的总能收敛性判据为10-5eV，k点网格大小为7×7×7。为了解决亚稳态带来的影响，在计算的过程中取消了对称性。图3-2二氧化铀原胞的磁性结构，其中灰色、青色和红色原子分别代表了自旋向上的铀原子、自旋向下的铀原子和氧原子在表面稳定性的计算过程中，我们构建了6层，8层以及10层的UO2(111)和UO2(001)的表面进行测试，表面结构基于1-kAFM反铁磁块体结构。由于铀暴露在空气中会迅速形成以二氧化铀为主的化合物，因此选择了氧为最外层的UO2(111)和UO2(001)表面结构。计算条件与上述块体材料的计算一致，布里渊区中k点网格大小为3×3×1。在计算过程中，固定了中间的两层原子位置，其他原子可自由弛豫。表面能的计算结果显示当模型的厚度大于8层时，表面能开始收敛，在8层
【参考文献】：
期刊论文
[1]二氧化铀电子结构和弹性性质的第一性原理研究[J]. 范航,王珊珊,李玉红. 物理学报. 2015(09)
[2]稀有气体原子与Pu（100）表面相互作用的第一性原理研究[J]. 陈秋云,曹坤,敖冰云,赖新春. 原子能科学技术. 2013(11)
[3]上海应物所等在锕系纳米材料研究中取得进展[J]. 化信. 化工新型材料. 2013(05)
[4]关于我国核燃料后处理/再循环的一些思考（英文）[J]. 顾忠茂,柴之芳. 化学进展. 2011(07)
[5]核燃料后处理技术发展及其放射化学问题[J]. 叶国安,张虎. 化学进展. 2011(07)
[6]国外核燃料后处理化学分离技术的研究进展及考察[J]. 韦悦周. 化学进展. 2011(07)
[7]锕系计算化学进展[J]. 王东琪,Wilfred F. van Gunsteren. 化学进展. 2011(07)
[8]UO2的电子结构及光学性质的第一性原理研究[J]. 陈秋云,赖新春,王小英,张永彬,谭世勇. 物理学报. 2010(07)
[9]水在二氧化钚表面吸附行为的模拟[J]. 陈丕恒,董平,白彬,李炬. 计算物理. 2009(05)
[10]核能与先进核燃料循环技术发展动向[J]. 顾忠茂. 现代电力. 2006(05)
博士论文
[1]典型核材料中结构缺陷和杂质扩散行为的第一性原理研究[D]. 鲁勇.中国工程物理研究院 2014
[2]若干强关联电子体系中反常铁磁行为的研究[D]. 程金光.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]低维碳材料掺杂体系催化性能的第一性原理研究[D]. 隋言慧.大连理工大学 2014
本文编号：3032529
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
先进核燃料循环概念示意图[12]
第一章绪论3它被包裹在二氧化铀之中，会造成材料的变形。因此，锕系元素与稀有气体相互作用的理论分析，尤其是锕系元素独特的5f电子结构和丰富的物理化学特性[18,19]，对核燃料的储存，使用以及核废料的处理都用很重要的理论指导意义。从1946年至今，金属核燃料一直在被使用。铀-235是人类最早使用的核裂变材料之一，金属态的铀在反应堆内的主要缺点为：温度升高的过程中，尺寸不稳定、易发生肿胀、化学稳定性较差、金属铀的蠕变速度会因辐照而大幅度增加。钚-239是人造的易裂变元素，拥有比金属铀更小的临界质量，在水环境中，仅需要650克的钚元素即可发生临界事故。金属态的钚熔点仅为640℃，并且比较脆弱；加热过程中有较多的同素异形体、结构变化复杂、导热系数较低、线性膨胀系数较大、且各向异性明显、稳定性差、极其容易被氧化。由于这些缺点的存在，金属钚不适合单独作为核燃料，通常以氧化物的形式与氧化铀共同使用。二氧化铀是常见的核燃料，熔点高达2865℃，晶体结构为立方面心型，抗辐照稳定性好。虽然质地脆弱，密度与导热系数较低，容易因为大温度梯度的热应力而造成开裂，但其优良的特性依然被广泛的适用于核燃料中。二氧化铀核燃料如图1-2所示。图1-2二氧化铀，图片来自维基百科综上所述，锕系氧化物作为核燃料时存在着较大的改进空间，并且由于其毒性与放射性对实验观察造成巨大的阻碍，因此，对其进行系统的理论研究有助于人们更好的其物理与化学性质[21]。为锕系材料表面改性工艺的设计和改进提供支持。1.3国内外研究概况、水平和发展趋势
电子科技大学硕士学位论文18接着我们对不同版本的弱相互作用修正方法（opt86,DFT-D2methodofGrimme,zerodampingDFT-D3methodofGrimme）进行测试，在使用opt86版本的范德瓦尔斯力修正时，我们发现He在UO2(111)表面的吸附能多达+0.437eV，并不符合稀有气体与锕系表面弱相互作用这一结果，另外，我们还对DFT-D2methodofGrimme，zerodampingDFT-D3methodofGrimme版本的范德瓦尔斯力修正，计算结果均处于弱相互作用范围，为了使结果更加贴近真实环境，我们选择了考虑了阻尼作用的zerodampingDFT-D3methodofGrimme版本的范德瓦尔斯力修正。在与稀有气体的弱相互作用计算过程中，使用了VDW-D3版本的范德瓦尔斯力修正，截断能设置为650eV。布里渊区中的k点的选择依体系不同而变化，如对体相，原子力的收敛判据为0.02eV/，原子结构优化中的总能收敛性判据为10-5eV，k点网格大小为7×7×7。为了解决亚稳态带来的影响，在计算的过程中取消了对称性。图3-2二氧化铀原胞的磁性结构，其中灰色、青色和红色原子分别代表了自旋向上的铀原子、自旋向下的铀原子和氧原子在表面稳定性的计算过程中，我们构建了6层，8层以及10层的UO2(111)和UO2(001)的表面进行测试，表面结构基于1-kAFM反铁磁块体结构。由于铀暴露在空气中会迅速形成以二氧化铀为主的化合物，因此选择了氧为最外层的UO2(111)和UO2(001)表面结构。计算条件与上述块体材料的计算一致，布里渊区中k点网格大小为3×3×1。在计算过程中，固定了中间的两层原子位置，其他原子可自由弛豫。表面能的计算结果显示当模型的厚度大于8层时，表面能开始收敛，在8层
【参考文献】：
期刊论文
[1]二氧化铀电子结构和弹性性质的第一性原理研究[J]. 范航,王珊珊,李玉红. 物理学报. 2015(09)
[2]稀有气体原子与Pu（100）表面相互作用的第一性原理研究[J]. 陈秋云,曹坤,敖冰云,赖新春. 原子能科学技术. 2013(11)
[3]上海应物所等在锕系纳米材料研究中取得进展[J]. 化信. 化工新型材料. 2013(05)
[4]关于我国核燃料后处理/再循环的一些思考（英文）[J]. 顾忠茂,柴之芳. 化学进展. 2011(07)
[5]核燃料后处理技术发展及其放射化学问题[J]. 叶国安,张虎. 化学进展. 2011(07)
[6]国外核燃料后处理化学分离技术的研究进展及考察[J]. 韦悦周. 化学进展. 2011(07)
[7]锕系计算化学进展[J]. 王东琪,Wilfred F. van Gunsteren. 化学进展. 2011(07)
[8]UO2的电子结构及光学性质的第一性原理研究[J]. 陈秋云,赖新春,王小英,张永彬,谭世勇. 物理学报. 2010(07)
[9]水在二氧化钚表面吸附行为的模拟[J]. 陈丕恒,董平,白彬,李炬. 计算物理. 2009(05)
[10]核能与先进核燃料循环技术发展动向[J]. 顾忠茂. 现代电力. 2006(05)
博士论文
[1]典型核材料中结构缺陷和杂质扩散行为的第一性原理研究[D]. 鲁勇.中国工程物理研究院 2014
[2]若干强关联电子体系中反常铁磁行为的研究[D]. 程金光.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]低维碳材料掺杂体系催化性能的第一性原理研究[D]. 隋言慧.大连理工大学 2014
本文编号：3032529
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