Th/Ti影响裂变气体Xe/Kr在UO2中行为的第一性原理计算
与传统的化石燃料相比，核电站中的核裂变反应是一种高能量密度、高功率、不产生二氧化碳等温室气体、技术成熟的绿色清洁能源。二氧化铀(UO2)作为目前最常用的轻水反应堆(LWRs)的首选燃料，其特性对核反应堆的可靠性和安全性起着至关重要的作用。因此裂变核素在UO2中的行为备受关注。本文基于第一性原理的方法考查裂变气体Xe/Kr在UO2中的稳定占位和扩散机制，研究裂变核素Th/Ti对UO2中Xe/Kr稳定占位以及扩散行为的影响，以期为核燃料的模拟计算和实验提供理论基层。 在UO2中，由于U原子具有5f电子的强关联效应，通常需要采用Hubbard U校正。本文通过DFT+U和OMC方案确定了Ueff值，以保证后续计算缺陷时系统能够收敛到基态。裂变气体Xe/Kr是UO2的主要裂变气体，为了确保核反应堆安全和高效的运行，需要深入了解Xe/Kr原子在UO2中的行为。本文首先考查Xe/Kr原子在UO2中的稳定占位和扩散机制。Xe/Kr原子在UO2中结合能和溶解能计算结果表明，当空位缺陷存在时，Xe/Kr原子更易于结合到空间尺寸大的空位缺陷簇中。在铀富集时，Xe/Kr于易溶解到肖特基2构型缺陷簇中；在氧富集时，Xe/Kr则易于溶解到铀空位和铀氧双空位缺陷中。Xe/Kr原子在空位缺陷中的溶解受到空位缺陷形成能的影响较大，易于在铀空位缺陷中聚集成团。不同间隙位迁移方式的计算表明，Xe/Kr原子通过弗仑克尔对缺陷辅助迁移能降低其迁移能。 UO2核燃料在反应过程中还会产生一些裂变金属产物，如Th/Ti原子等，这些产物会不可避免地会作为杂质存在于UO2核燃料中，影响UO2燃料的正常反应，但有时也能提高核燃料的物理、化学和热力学等性质，从而减少核燃料辐照过程中裂变气体的释放。本文使用DFT+U的方法确定了Th/Ti原子合适的Ueff值，通过计算空位缺陷的形成能、结合能、溶解能研究杂质对Xe/Kr在UO2中稳定占位的影响，并考查了杂质对Xe/Kr在间隙位扩散性能的影响。结果表明，Th原子由于与U原子相似的离子半径和电负性，对Xe/Kr在UO2中的溶解能影响较小，并且Th原子通过降低Xe/Kr原子在迁移过程中原子之间的挤压，从而能显著地降低Xe/Kr原子在间隙位的扩散能垒。而Ti原子的离子半径远小于U原子，且电负性也大于U原子，因此Ti原子主要通过降低空位缺陷形成能的方式，使得Xe/Kr原子易于溶解到空位缺陷中。Ti原子使得Xe/Kr原子不易于在空位缺陷中聚集，而是更倾向于围绕着空位分布到周围八面体间隙位。另外，Ti原子还能显著的降低Xe/Kr在间隙位的扩散能垒。
二氧化铀;裂变气体;稳定占位;扩散机制
西南交通大学
硕士
凝聚态物理
黄整
2022
中文
TL271
2022-12-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）