發(fā)布時(shí)間：2021-02-13 20:21

　　隨著核能技術(shù)的大力發(fā)展和應(yīng)用,人們迫切需要了解錒系材料的基本物理和化學(xué)性質(zhì),尤其是稀有氣體對(duì)其結(jié)構(gòu)和物性的影響。本文以強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系錒系氧化物與稀有氣體間復(fù)雜化學(xué)鍵的理解和預(yù)測(cè),這一核能領(lǐng)域的重要應(yīng)用問(wèn)題和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn),在傳統(tǒng)密度泛函理論（DFT）計(jì)算的基礎(chǔ)上,應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算方法,包括DFT+U、范德華力修正、第一性原理分子動(dòng)力學(xué)等,準(zhǔn)確理解錒系氧化物（U_xO_y）的電子結(jié)構(gòu)、磁學(xué)和相穩(wěn)定性等基礎(chǔ)性質(zhì),探討稀有氣體（RG）與錒系氧化物及其表面之間的化學(xué)鍵和擴(kuò)散特性,以及對(duì)其相穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的影響,了解環(huán)境對(duì)上述化學(xué)鍵和物理性質(zhì)的影響,獲得錒系氧化物與稀有氣體相互作用的化學(xué)性質(zhì)與其5f電子特征之間的內(nèi)在聯(lián)系。本文首先測(cè)試了采用RPBE+U+VDW-D3方法對(duì)強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的弱相互作用進(jìn)行描述的可靠性,確定了描述強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中弱相互作用的研究方法。計(jì)算了不同惰性氣體原子在UO₂（111）表面上的吸附以及在體相原胞內(nèi)部的摻雜,對(duì)比了幾類常用泛函（例如PBE、PBEsol、RPBE以及revPBE）和范德華... 

【文章來(lái)源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：67 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

先進(jìn)核燃料循環(huán)概念示意圖[12]

第一章緒論3它被包裹在二氧化鈾之中，會(huì)造成材料的變形。因此，錒系元素與稀有氣體相互作用的理論分析，尤其是錒系元素獨(dú)特的5f電子結(jié)構(gòu)和豐富的物理化學(xué)特性[18,19]，對(duì)核燃料的儲(chǔ)存，使用以及核廢料的處理都用很重要的理論指導(dǎo)意義。從1946年至今，金屬核燃料一直在被使用。鈾-235是人類最早使用的核裂變材料之一，金屬態(tài)的鈾在反應(yīng)堆內(nèi)的主要缺點(diǎn)為：溫度升高的過(guò)程中，尺寸不穩(wěn)定、易發(fā)生腫脹、化學(xué)穩(wěn)定性較差、金屬鈾的蠕變速度會(huì)因輻照而大幅度增加。钚-239是人造的易裂變?cè)兀瑩碛斜冉饘兮櫢〉呐R界質(zhì)量，在水環(huán)境中，僅需要650克的钚元素即可發(fā)生臨界事故。金屬態(tài)的钚熔點(diǎn)僅為640℃，并且比較脆弱；加熱過(guò)程中有較多的同素異形體、結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜、導(dǎo)熱系數(shù)較低、線性膨脹系數(shù)較大、且各向異性明顯、穩(wěn)定性差、極其容易被氧化。由于這些缺點(diǎn)的存在，金屬钚不適合單獨(dú)作為核燃料，通常以氧化物的形式與氧化鈾共同使用。二氧化鈾是常見(jiàn)的核燃料，熔點(diǎn)高達(dá)2865℃，晶體結(jié)構(gòu)為立方面心型，抗輻照穩(wěn)定性好。雖然質(zhì)地脆弱，密度與導(dǎo)熱系數(shù)較低，容易因?yàn)榇鬁囟忍荻鹊臒釕?yīng)力而造成開(kāi)裂，但其優(yōu)良的特性依然被廣泛的適用于核燃料中。二氧化鈾核燃料如圖1-2所示。圖1-2二氧化鈾，圖片來(lái)自維基百科綜上所述，錒系氧化物作為核燃料時(shí)存在著較大的改進(jìn)空間，并且由于其毒性與放射性對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察造成巨大的阻礙，因此，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的理論研究有助于人們更好的其物理與化學(xué)性質(zhì)[21]。為錒系材料表面改性工藝的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供支持。1.3國(guó)內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文18接著我們對(duì)不同版本的弱相互作用修正方法（opt86,DFT-D2methodofGrimme,zerodampingDFT-D3methodofGrimme）進(jìn)行測(cè)試，在使用opt86版本的范德瓦爾斯力修正時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)He在UO2(111)表面的吸附能多達(dá)+0.437eV，并不符合稀有氣體與錒系表面弱相互作用這一結(jié)果，另外，我們還對(duì)DFT-D2methodofGrimme，zerodampingDFT-D3methodofGrimme版本的范德瓦爾斯力修正，計(jì)算結(jié)果均處于弱相互作用范圍，為了使結(jié)果更加貼近真實(shí)環(huán)境，我們選擇了考慮了阻尼作用的zerodampingDFT-D3methodofGrimme版本的范德瓦爾斯力修正。在與稀有氣體的弱相互作用計(jì)算過(guò)程中，使用了VDW-D3版本的范德瓦爾斯力修正，截?cái)嗄茉O(shè)置為650eV。布里淵區(qū)中的k點(diǎn)的選擇依體系不同而變化，如對(duì)體相，原子力的收斂判據(jù)為0.02eV/，原子結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的總能收斂性判據(jù)為10-5eV，k點(diǎn)網(wǎng)格大小為7×7×7。為了解決亞穩(wěn)態(tài)帶來(lái)的影響，在計(jì)算的過(guò)程中取消了對(duì)稱性。圖3-2二氧化鈾原胞的磁性結(jié)構(gòu)，其中灰色、青色和紅色原子分別代表了自旋向上的鈾原子、自旋向下的鈾原子和氧原子在表面穩(wěn)定性的計(jì)算過(guò)程中，我們構(gòu)建了6層，8層以及10層的UO2(111)和UO2(001)的表面進(jìn)行測(cè)試，表面結(jié)構(gòu)基于1-kAFM反鐵磁塊體結(jié)構(gòu)。由于鈾暴露在空氣中會(huì)迅速形成以二氧化鈾為主的化合物，因此選擇了氧為最外層的UO2(111)和UO2(001)表面結(jié)構(gòu)。計(jì)算條件與上述塊體材料的計(jì)算一致，布里淵區(qū)中k點(diǎn)網(wǎng)格大小為3×3×1。在計(jì)算過(guò)程中，固定了中間的兩層原子位置，其他原子可自由弛豫。表面能的計(jì)算結(jié)果顯示當(dāng)模型的厚度大于8層時(shí)，表面能開(kāi)始收斂，在8層

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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