U化合物中缺陷行为的从头算研究

摘要

核能是一种安全、低碳、可大规模利用的清洁能源。二氧化铀（UO2）因其高熔点和高剂量辐照下稳定的萤石结构，是目前核能发电中应用最广泛的燃料。由于UO2在核燃料循环中的重要地位和铀中未填满的5f轨道所产生的复杂电子结构，UO2在辐照环境下的结构演化和性能受到了广泛的实验和模拟研究。当前对UO2的原子模拟主要采用经典分子动力学模拟，但该方法的模拟结果依赖于原子间相互作用势能的精度且作用势中没有考虑5f电子之间的强关联作用。另外，铀三硅二（U3Si2）的低铀浓缩和高导热性使它在核反应堆中具有事故耐受性核燃料的潜力。研究U3Si2点缺陷的稳定性对充分认识其在辐照环境下的服役行为有重要意义，但目前对U3Si2缺陷的相关研究比较匮乏。 近年来，从头算分子动力学方法已被证明是一种研究缺陷行为的有效模拟手段，它能以从头算精度预测低能反冲事件中缺陷产生的机理、缺陷的类型、分布和相互作用，并且无需拟合原子间相互作用势。另一方面，强关联体系中电子间的强关联能通常可以用Hubbard U进行校正。本论文主要采用从头算分子动力学方法，并对二氧化铀中铀5f电子进行Hubbard U校正，模拟了二氧化铀的低能反冲事件。此外，我们采用基于密度泛函理论框架下的广义梯度近似（GGA）方法，结合Hubbard U校正和旋轨耦合（SOC）方法对U3Si2的点缺陷稳定性进行了研究，主要探讨了Hubbard U校正和旋轨耦合效应对U3Si2中点缺陷形成的影响。本论文的研究结果将有利于加深对铀核燃料的认识和理解，为极端条件下核燃料的损伤控制和安全性评估提供一定的理论指导和依据。 本文主要研究内容如下： 1.我们采用从头算分子动力学方法模拟了UO2沿四个主要晶格方向的低能反冲事件，确定了氧和铀在不同晶格方向上的位移阈能。结果表明，位移阈能是各异向性的，即不同晶格方向上的位移阈能不同，其中铀沿着<100>和<110>方向分别具有最小和最大的位移阈能，而氧则沿着<100>和<111>方向分别具有最小和最大的位移阈能。我们发现，铀沿着<100>和<110>方向得到的位移阈能与经典分子动力学模拟结果可比拟，但与sudden approximation（SA）得到的模拟结果相差较大。当前计算得到的铀和氧原子的平均位移阈能分别为46.96eV和25.56eV，其中铀的平均位移阈能比用SA方法得到的位移阈能均值更接近实验结果，而氧的平均位移阈能略高于采用SA方法和实验得到的结果。 2.我们分析了氧和铀低能反冲事件中所产生的缺陷类型。所有的氧位移事件均产生了相似的缺陷类型即氧弗伦克尔对，而铀位移事件则产生了各种不同的缺陷类型如空位、桥位和哑铃对间隙以及反位缺陷，但损伤终态仍主要由空位和间隙组成。此外，铀和氧间隙缺陷主要占据八面体位置。与经典分子动力学比较，本工作采用的从头算分子动力学及考虑铀的5f电子间的强关联校正揭示了UO反位缺陷以及铀的哑铃对间隙这两种新的缺陷类型。 3.我们分别采用GGA,GGA+U（1.5eV）和GGA+U+SOC三种不同方法计算了U3Si2的空位和反位形成能。三种方法计算的缺陷形成能结果均表明空位形成能比反位形成能更低。用GGA方法得到的结果表明Si空位比U空位更稳定，但后两种方法得到的计算结果表明U空位比Si空位更容易形成。此外，我们发现考虑SOC作用导致空位和反位缺陷的形成能增大。通过比较不同方法得到的缺陷形成能结果，发现对铀的5f电子进行强关联校正以及考虑SOC作用对缺陷形成的相对稳定性有较大的影响。 4.GGA,GGA+U（1.5eV）和GGA+U+SOC三种计算方法获得的相对体积变化和键长有所区别，但均表明缺陷形成会使原子间的化学键伸长或缩短，从而改变U3Si2的晶格体积。用GGA方法计算的键长结果表明缺陷的产生导致键长明显缩短，但考虑Hubbard U相关校正后，缺陷形成对键的影响不大。考虑SOC作用后，缺陷形成对U3Si2体积的影响变大了，且空位缺陷导致键键长取值区间的最大值明显减小，即SOC作用对相互作用影响最大。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 核燃料简介

1.2 核燃料的辐照效应

1.3 强关联电子体系

1.4 本工作的研究意义和主要内容

第二章 研究方法和理论基础

2.1 引言

2.2 密度泛函理论

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程

2.2.2 交换相关能泛函

2.3 布洛赫定理和平面波基组

2.4 赝势近似方法

2.5 从头算方法概述

2.6 VASP软件

2.7 本章小结

第三章 UO2低能反冲事件的从头算分子动力学模拟

3.1 引言

3.2 模型和计算方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 UO2的基态和电子性质

3.3.2 氧位移事件的位移阈能

3.3.3 铀位移事件的位移阈能

3.4 本章小结

第四章 U3Si2点缺陷的第一性原理研究

4.1 引言

4.2 模型和计算方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 U3Si2的基态性质

4.3.2 基于GGA计算的U3Si2中点缺陷的稳定性

4.3.3 基于GGA+U计算的U3Si2中点缺陷的稳定性

4.3.4 基于GGA+U+SOC计算的U3Si2中点缺陷的稳定性

本章小结

第五章 总结和展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果