基于团簇式和第一原理计算的若干铀基燃料中化合物的相稳定性研究
发布时间：2020-07-14 13:07
【摘要】：近年来,随着事故容错燃料概念的提出,国内外核材料相关研究人员高度关注核燃料及其结构材料在运行工况和事故工况下的可靠性。对燃料而言,不仅需要发展新型事故容错燃料,还需要回答现有燃料材料的相稳定性、辐照稳定性以及与包壳的界面相容性问题。本论文使用团簇式和第一原理计算讨论典型铀钼、铀锆、铀钼铝和铀氮等核燃料体系中化合物的相稳定性;搜集大量的弹性数据,进一步完善前人提出的适用于立方晶系材料的韧脆转变准则,并将其应用到相稳定性与辐照稳定性的研究。主要研究内容和结论如下:(1)铀钼二元系化合物相稳定性研究。使用团簇式分析了铀钼系化合物的晶体结构,高温体心立方γ-U相与体心四方U2Mo相具有相同的团簇形式,配位数均为CN14,因此,利用这个团簇可以从原子尺度解释γ-U相向U2Mo的相变过程。从能量、弹性、动力学稳定性和电子结构方面进行的第一原理计算表明,I4/mmm-U2Mo相是一种亚稳相,在低温下有可能存在六方、正交结构等其他结构。基态结构更稳定的机理是费米能级处电子占据数较低,这可能是体心四方亚稳相在应变作用下引起相变的根本原因。(2)铀钼铝三元系化合物相稳定性研究。使用团簇式分析了铀钼铝系化合物的晶体结构,立方系U-Mo-Al系中的化合物UMo2A120由[Mo-Al12]和[U-Al16]两种团簇构成,而且前者与非晶合金中类二十面体准晶的结构相似,因此,该化合物很容易形成非晶,与已有实验结果吻合。第一原理计算表明,UMo2A120满足弹性和动力学稳定性准则,表现出与离子键相似的成键特征,其稳定性机理源于Al-p电子与Mo-d电子间较强的杂化作用。[Mo-Al12]团簇中Mo-Al键和Al-Al键均是成键态,而在[U-Al16]团簇中U-Al键和Al-Al键成键态和反键态共存。(3)铀锆二元系化合物相稳定性研究。使用团簇式分析了铀锆系化合物的晶体结构,铀锆二元系中的δ-UZr2相中存在以Zr原子为中心,配位数为CN14的团簇,该团簇与α-Zr中配位为CN12的立方八面体团簇相似。用该团簇可以解释该相相区成分宽的原因。根据该团簇模型,从高温体心立方γ-U相向低温六方δ相相变过程中,γ-U相中的键长和键角的变化,使其菱形十二面体团簇向δ相中的团簇发生转变。该团簇形式与第一原理计算结果、分子动力学计算结果、正电子湮没谱实验结果吻合。本论文中使用透射电镜(TEM)实验证实了富铀的铀锆合金中普遍存在δ相,指出正电子湮没谱实验中推测的富锆纳米团簇就是δ相。针对δ相,制备了富锆的U-Zr合金,并用光学显微镜、扫描电镜、TEM以及X射线光电子能谱(XPS)对其微观组织和电子结构进行了表征。(4)铀氮系化合物相稳定性研究。使用团簇式分析了铀氮系化合物的晶体结构,铀氮系化合物五种晶体结构的差异仅仅在于氮原子的占据位置。其中铀原子形成立方八面体团簇,而氮原子既可以占据该团簇的四面体间隙位,也可以占据八面体间隙位。根据上述团簇得到的[U-U6N6]团簇可以合理地解释NaCl型UN向菱面体UN在高压下的相变过程,以及CaF2型UN2、Mn2O3型U2N3以及NaCl型UN之间的相变过程。氧对典型铀氮化合物UN2的相稳定性影响的第一原理计算表明,氧很容易占据氮的空位,其结构、弹性和动力学稳定性表明铀氮氧三元系化合物在热力学上是稳定的,其稳定性机理源于U-N的成键态和U-O的部分成键态。(5)材料韧脆转变准则的推广及其与相稳定性、辐照稳定性的关系。对适用于立方晶系的材料韧脆转变准则进行了修改,采用体弹模量(B)对柯西压力(CP)进行无量纲化,同时对四方、正交和六方晶系的柯西压力进行平均处理,使其适用于四方、正交和六方晶系。统计700多组弹性数据,得到柯西压力/体弹模量(CP/B)与剪切模量/体弹模量(G/B)之间的线性规律。对Pugh准则、Pettifor准则和经验的泊松比准则进行了关联,发现G/B可以用于衡量材料的成键特性,而且温度、压力和缺陷对该线性关系没有显著影响。一般情况下,温度和压力会使材料的G/B降低,但当材料发生某些物理变化时,如相变、磁性转变等,G/B值会发生突变,该发现可以用于材料相稳定性研究。如果材料的G/B随温度变化范围较窄,那么该材料有可能具有优异的辐照稳定性。从电子尺度讨论材料的弹性响应发现,电荷在三类关键点之间存在流动,但在有些关键点处的电荷密度并不发生变化。上述结果深化了变形对固体中电荷重构影响的认识。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL21
【图文】：
Ｉ逡逑（ｂ）逡逑图１．３整体Ｕ－Ｍｏ金属型燃料元件（ａ）外观（ｂ）截面图逡逑由固体和气体裂变产物引起的肿胀可以用如下方程进行估算，逡逑ＡＶ／Ｖ０＝５．０ｆＤ；ＡＶ／Ｖ０＝ｌ５邋＋邋６．３（ｆＤ邋－３）＋０．３３（／Ｄ－３）２逦（１－１）逡逑Ｖ0是燃料制备后的体积，体积肿胀的单位是百分比，ｆＤ的单位是１０２７ｆ／ｍ３，逡逑前一个公式的适用条件是：ｆＤ＜邋３ｘｌ0２７邋ｆ／ｍ３，后一个公式的适用条件是裂变密度ｆＤ＞逡逑３ｘｌ0２７ｆ／ｍ３，。上述关系式说明肿胀与裂变密度间存在非线性关系。燃料肿胀速率逡逑随着裂变密度的X椉游⑷醯脑黾印ｅ义隙杂诘グ逭逍停眨停锖巳剂希词沽驯涿芏雀哂诘团ㄓ巳剂希裁挥蟹⑾皱义希稿义
本文编号：2755012
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL21
【图文】：
Ｉ逡逑（ｂ）逡逑图１．３整体Ｕ－Ｍｏ金属型燃料元件（ａ）外观（ｂ）截面图逡逑由固体和气体裂变产物引起的肿胀可以用如下方程进行估算，逡逑ＡＶ／Ｖ０＝５．０ｆＤ；ＡＶ／Ｖ０＝ｌ５邋＋邋６．３（ｆＤ邋－３）＋０．３３（／Ｄ－３）２逦（１－１）逡逑Ｖ0是燃料制备后的体积，体积肿胀的单位是百分比，ｆＤ的单位是１０２７ｆ／ｍ３，逡逑前一个公式的适用条件是：ｆＤ＜邋３ｘｌ0２７邋ｆ／ｍ３，后一个公式的适用条件是裂变密度ｆＤ＞逡逑３ｘｌ0２７ｆ／ｍ３，。上述关系式说明肿胀与裂变密度间存在非线性关系。燃料肿胀速率逡逑随着裂变密度的X椉游⑷醯脑黾印ｅ义隙杂诘グ逭逍停眨停锖巳剂希词沽驯涿芏雀哂诘团ㄓ巳剂希裁挥蟹⑾皱义希稿义
本文编号：2755012
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