陶瓷核燃料二氧化铀及其结构缺陷的第一性原理研究

摘要

核燃料二氧化铀中的铀元素为锕系元素,具有未填满的f壳层电子,该壳层的电子之间存在很强的交换关联作用,所以采用传统的广义梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)的方法对二氧化铀进行计算,无法给出其正确的性质。基于这种考虑,很多研究小组在计算过程中都考虑了交换关联项的HubbardU修正。但到现在为止,却没有人给出U的取值标准,也没人给出U项对材料态密度分布会产生怎样的影响。多数研究工作者选择U取值在4.0ev到5.0ev之间,但均没有给出合理的取值理由。
　　对此,本论文中系统研究了随着U从0到10取值的变化,材料性质的变化以确定关联项在UO2材料中的作用。计算中分别用GGA+U和LDA+U的方法得出材料态密度和能带图随U值的变化。从态密度和能带图中分析得出,随着U值的变化,材料性质开始呈现出导体的性质,当U值取到3ev左右时材料变为半导体,当U值取7ev左右时材料有呈现出导体的性质。但是由于关联势的取法不同,材料性质发生变化所处的U值也不完全相同,但是规律却是一致的。在此研究的基础上,采用GGA+U的方法对萤石结构的二氧化铀的性质做了计算,结果显示二氧化铀为f-fMott-Hubbard型半导体,带隙为2.09eV,这与实验值2.1eV符合的很好。除此以外,对12个原子、24个原子、48个原子的超原胞中形成的的氧空位、氧填隙原子、铀空位的点缺陷也做了计算,并且与其他研究小组的工作做了比较,所得结果近似。
　　本论文主要分为四大部分,内容如下:
　　第一部分为引言:主要介绍了与核材料相关的一些简单的内容,二氧化铀的研究现状,及论文的目的和意义。
　　第二部分为理论方法:主要讨论了第一性原理的基本知识,介绍了三个基本近似,即非相对论近似、波恩-奥本海默近似、单粒子近似(轨道近似)。此外,介绍了密度泛函理论中交换关联势的处理方法--局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)。
　　第三部分为铀的氧化物的基本性质的研究:主要研究了Hubbard U项取不同值对材料态密度及能带结构的影响。计算萤石结构二氧化铀基本性质,包括K点优化、截断能的优化和材料性质的计算。
　　第四部分为铀的氧化物中点缺陷的研究:内容包括12个原子、24个原子、48个原子的超原胞中单个氧空位、氧间隙原子、铀空位点缺陷的形成能的计算。
　　第五部分是结论与展望:主要介绍全文的研究成果,以及未来工作和问题的展望。

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1、绪论

1．1国内外核燃料状况

1.2核燃料介绍

1.3铀的氧化物的研究现状

1.4 论文的目的和意义

2、 理论方法

2.1 第一性原理介绍

2.2 密度泛函理论[6]

2.3 VASP软件包介绍

3、二氧化铀基本性质的研究

3.1二氧化铀中铀的5f电子的处理

3.2二氧化铀基本性质的计算

3.3小结

4、铀的氧化物中点缺陷的计算

4.1 点缺陷结合能的计算

4.2 小结

5结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

致谢

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