金属铀、UO2晶体结构和特性的赝势平面波方法研究

论文摘要

金属铀重要的核燃料，但是其化学性质非常活泼，极易与O2、H2、H2O反应形成氧化和氢化腐蚀。腐蚀可能导致铀金属力学性能降低、体积增大、粉化等一系列严重的后果，给核材料的存放带来严重危害。大气环境中氧化是主要的腐蚀形式，了解铀的氧化动力学及其影响因素对铀的防腐蚀有重要的指导作用。金属的腐蚀是一个复杂的多相反应，气体分子在表面吸附、离解进入氧化物晶格、扩散以及界面反应都对氧化动力学有影响，对氧化行为的研究最重要的是确定反应的‘决速步’（反应速率最慢的步骤），及各种因素对其影响规律。宏观的腐蚀行为受微观的腐蚀机理决定，大量的实验研究表明氧在UO2中的扩散是影响铀氧化速率的最主要因素，氢进入氧化物晶格以及在氧化物中的扩散影响了铀的氢化反应孕育期。因此有必要开展二氧化铀中离子的扩散以及缺陷行为研究。 了解UO2中的氢的存在状态对于理解氢化反应孕育期以及水汽加速氧化有很大的帮助，寻找计算量小并且满足精度要求的计算方法至关重要。我们构建了铀的超软赝势（USPP），采用所构建了铀的‘Vanderbilt’型USPP，能够以相对较小的计算量完成铀金属结构全优化。计算验证表明：超软赝势平面波方法对于金属铀结构的计算结果与实验值接近，能正确反映对铀的低温下低对称结构特点。优于Castep软件所附带的赝势。对简单的NaCl以及CaF2结构的铀氧化物、碳化物以及氮化物晶体参数的计算结果与实验值相差不到

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 金属氧化动力学一般规律
• 1.2 铀氧化研究概述
• 1.2.1 铀氧化一般特点
• 1.2.2 铀氧化机理
• 1.3 氧在二氧化铀中的扩散研究概况
• 1.4 本论文研究的内容以及方法
• 参考文献
• 2 理论方法简介
• 2.1 密度泛函
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn定理
• 2.1.2 局域密度近似
• 2.1.3 广义梯度近似
• 2.2 能带理论
• 2.3 全电子计算方法
• 2.4 赝势平面波方法
• 2.4.1 赝势的导出
• 2.4.2 赝势的基本性质
• 2.4.3 平面波表象
• 2.5 经验势方法
• 2.5.1 计算方法
• 2.5.2 结构优化
• 2.5.3 经验势函数
• 2.5.4 缺陷计算
• 参考文献
• 3 铀赝势建立
• 3.1 超软赝势原理
• 3.2 赝势构造步骤
• 3.3 超软赝势构造细节
• 3.4 计算结果
• 3.5 小结
• 参考文献
• 附录
• 4 金属铀以及铀化合物结构计算
• 4.1 计算细节
• 4.2 金属铀结构计算
• 4.3 铀化合物计算
• 4.4 小结
• 参考文献
• 2中氢赝势平面波计算研究'>5 UO₂中氢赝势平面波计算研究
• 5.1 计算方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.3 小结
• 参考文献
• 2点缺陷经验势模拟计算研究'>6 UO₂点缺陷经验势模拟计算研究
• 6.1 经验势拟合
• 6.2 点缺陷能量计算
• 2中铀和氧的扩散系数的计算'>6.3 UO₂中铀和氧的扩散系数的计算
• 6.4 小结
• 参考文献
• 附录
• 2结构化合物特点以及稳定性研究'>7 CaF₂结构化合物特点以及稳定性研究
• 2与MF₂（M代表金属离子）结构特点'>7.1 MO₂与MF₂（M代表金属离子）结构特点
• 7.2 经验势拟合
• 7.3 经验势计算研究
• 7.4 小结
• 参考文献
• 2中铌离子行为研究'>8 UO₂中铌离子行为研究
• 8.1 模拟方法
• 8.2 经验势
• 2中掺杂铌的缺陷能量以及结构'>8.3 UO₂中掺杂铌的缺陷能量以及结构
• 2中的铌对氧化动力学的影响'>8.4 UO₂中的铌对氧化动力学的影响
• 8.5 小结
• 参考文献
• 附录
• 2电子能量损失谱计算'>9 金属铀和UO₂电子能量损失谱计算
• 9.1 计算原理
• 9.2 计算细节
• 9.3 U的电子能量损失谱
• 2的电子能量损失谱'>9.4 UO₂的电子能量损失谱
• 9.5 小结
• 参考文献
• 结论
• 在校期间发表的文章
• 致谢