金属钯及其氚化物中氦行为的理论研究

摘要

核能是解决能源问题的一种理想的替代能源。在核能的利用中,材料中的氦效应是一个至关重要的问题。材料中引入氦(He)的途径主要有:贮氚材料中的氚通过β衰变而产生氦(3He)；材料内部不断通过α衰变产生高能α粒子(4He)；聚变反应堆第一壁材料表面不断受到氘、氚等离子体中聚变产物的轰击而产生He原子；裂变反应堆和聚变反应堆中产生的中子与结构材料发生(n,α)核反应而产生氦(4He)等。材料中产生的氦,由于其特殊的满壳层电子结构而不溶于基体材料,氦的聚集会对材料本身的宏观物理性能和力学系能产生影响,即核脆。因而,弄清楚He原子在材料中与各种缺陷的微观作用机理,对于核能工业和材料工业都是很有必要的。金属钯(Pd)是一种固氦能力很强的单质,其氚化物也是一种重要的贮氚材料,因而我们选取钯及其氚化物作为研究对象。
　　 本文应用第一性原理密度泛函理论和平面波赝势方法,利用VASP程序软件包系统地研究了金属Pd及其氚化物中的氦行为。计算结果如下:(1)计算了Pd中间隙位置He原子的稳定性、氦原子的迁移情况以及氦-空位小团簇(HemVn)的稳定性。结果表明:Pd中空位有很强的捕获He原子的能力；He在Pd中间隙位置的稳定情况依次是空位、八面体间隙、四面体间隙；间隙氦原子不能直接在邻近的八面体间隙之间迁移,只能先通过四面体间隙位置,再达到八面体间隙位置,即迁移路径为O-T-O；HemVn团簇形成能随着He原子浓度的增加而增加,而且没有空位的He团簇比有空位的He团簇形成能高,空位使得He更容易形成团；HemVn团簇的结合能很大程度上依赖于团簇中的He对空位的比例(HeN)而不是团簇本身的大小,当He/V的比例约等于1的时候,是团簇中最稳定的构型；HemVn团会通过发射出He原子或者空位来改变自身的氦与空位的比例从而到达稳定,稳定后的离解能大约为2.5 eV,当He/V比例小于1时,会发射空位,从而使He/V比例增加,当HeN比例大于1时,会发射出现氦原子和自间隙原子,从而使团中He/V比例降低。(2)计算了Pd中氢(H)、H-He对的稳定性情况,及Pd氚化物中氦行为,并对比分析了Pd及其氚化物中不同的氦行为。结果表明:H在Pd中间隙位置的稳定情况和He很不一样,其稳定性位置依次是八面体间隙、四面体间隙、空位；当H和He原子同时存在于Pd中相邻的八面体间隙位置时,形成一种稳定的Hocta-Heocta对；H和He原子同时位于Pd中单空位的最近邻处时,He原子易被空位捕获,H原子依然位于原来的八面体间隙为形成稳定的Hocta-Hesub对；钯氚化物中氦原子的聚集容易导致局部的晶格扭曲,相比Pd中He而言,其氚化物中更有利于He小团簇聚集。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 材料中氦行为的研究历史和现状

1.2 材料中氦的基本特性

1.2.1 材料中He的各种能量参数

1.2.2 材料中He原子的迁移机制

1.2.3 氦泡的形成和长大机制

1.3 材料中氦行为的研究方法

1.3.1 实验方法

1.3.2 理论方法

1.4 本文研究工作的意义、内容和方法

第2章 基本理论方法

2.1 引言

2.2 密度泛函理论

2.2.1 绝热近似

2.2.2 Hatree-Fock近似

2.2.3 Hohenberg-Kohn近似

2.2.4 Kohn-Sham方程

2.2.5 局域密度近似和广义梯度近似

2.3 赝势理论

2.3.1 超软赝势(USPP)和投影缀加平面波(PAW)方法

2.4 周期性边界条件

2.4.1 三维完整晶格

2.4.2 Bloch定理

2.4.3 平面波基组

2.5 VASP程序软件包介绍

2.5.1 VASP的主要输入文件

2.5.2 VASP的主要输出文件

2.6 本章小结

第3章 钯中点缺陷和氦-空位（HemVn）小团簇

3.1 引言

3.2 计算方法介绍

3.3 计算结果及其分析

3.3.1 点缺陷和完整Pd晶格

3.3.2 间隙氦原子的迁移

3.3.3 氦-空位团簇的形成能、结合能、解离能

3.3.4 态密度分析

3.3.5 电荷密度分析

3.4 本章小结

第4章 钯氚化物中的氦行为

4.1 引言

4.2 计算方法介绍

4.3 计算结果及其分析

4.3.1 完整晶体钯和氢分子

4.3.2 钯中氢缺陷和氦缺陷

4.3.3 钯及其氚化物中氚衰变前后态密度的对比分析

4.3.4 单空位对钯中氢-氦对行为的影响

4.4 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢