陶瓷核材料铀氧化物的第一性原理研究

摘要

在本论文中，我们主要介绍了利用第一性原理的计算方法，研究核燃料铀的氧化物结构稳定性以及结构缺陷的问题。由于铀元素是锕系元素，具有部分填满的f壳层和d壳层电子，这些壳层的电子之间具有较强的交换关联能，传统的局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）密度泛函理论无法给出正确的结果，必须对通常意义上的密度泛函理论加上相互作用的U来处理。为了更好的体现铀的氧化物的具体计算方法，我们采用了局域密度近似+U（LDA+U）和广义梯度近似+U（GGA+U）两种方法来分别进行。
　　 论文中我们详细地给出了二氧化铀的初级单胞，12个原子以及24个原子的超胞的基本计算结果。计算过程中我们考虑了自旋，反铁磁以及加U的三种因素，对他们的各种组合分别进行计算，并对得出的计算结果做了比较。结果表明：运用广义梯度近似加上自旋，反铁磁以及U计算获得的最理想的带宽结果和试验值相差0.58eV。我们还对48个原子铀的氧化物超胞中的缺陷形成能做了计算，获得的单个氧空穴缺陷形成能的计算结果是7.41eV，而单个氧间隙原子缺陷的形成能为2.36eV。
　　 论文一共分为五大部分，其基本内容如下：
　　 第一部分是序言：基本介绍了核材料的一些简单内容，详细地介绍了最近铀的氧化物最新的研究成果，以及论文的目的和意义。
　　 第二部分是理论计算方法：首先介绍第一性原理的基本知识，详细地讨论了三个基本近似——非相对论近似，波恩－奥本海默（Born-Oppenheimer）近似，单粒子近似或轨道近似。简单介绍了我们计算过程中使用的密度泛函理论处理交换关联能的两种方法，即局域密度近似和广义梯度近似。
　　 第三部分是铀的氧化物基本计算：二氧化铀的K点以及截断能的优化，用不同的方法做了其结构参数的全面优化。还分别用了GGA+U以及LDA+U方法计算了单胞，12个原子，24个原子的超胞。
　　 第四部分是铀的氧化物的缺陷计算：简单的计算了单个氧缺陷和间隙原子的形成能，并对结果做了一些分析。
　　 第五部分是结论与展望：总结了全篇论文的研究结果，并且对未来研究工作以及问题进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

1、 引 言

2、 理论计算方法

3、铀的氧化物基本计算

4铀的氧化物的缺陷计算

5 结论与展望

参考文献