典型核材料中結(jié)構(gòu)缺陷和雜質(zhì)擴(kuò)散行為的第一性原理研究.pdf

1、錒系二氧化物是核工業(yè)領(lǐng)域中重要的核燃料材料，無(wú)論在科學(xué)領(lǐng)域還是在工業(yè)領(lǐng)域均受到諸多關(guān)注。在這一系列的錒系二氧化物中，PuO2和ThO2分別作為傳統(tǒng)和新型的核燃料，受到的關(guān)注更是甚多。PuO2是快反應(yīng)堆混合燃料的重要組成部分，同時(shí)在钚的存儲(chǔ)和循環(huán)利用方面也起著重要的作用。物理特性方面，由于其處在錒系二氧化物系列中間過(guò)渡的位置，其前和其后的錒系二氧化物呈現(xiàn)出明顯不同的電子結(jié)構(gòu)特性，這也使得PuO2在研究錒系二氧化物系列材料電子結(jié)構(gòu)和成鍵特性

2、方面具有重要的參考意義。ThO2作為UO2的潛在替代燃料，其本身?yè)碛兄T多傳統(tǒng)燃料所不具有的優(yōu)勢(shì)。ThO2燃燒過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大量的超鈾放射性廢棄物，同時(shí)與PuO2具有良好的互溶性，可部分替代PuO2，形成(Pu，Th)O2混合燃料，大大降低了對(duì)钚資源的需求。在物理特性方面，ThO2燃料具有高熔點(diǎn)，高耐腐蝕性，以及高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)。
　　除了核燃料之外，核反應(yīng)堆功能材料是核材料的另外一個(gè)重要組成部分。其中，鈦金屬及其相關(guān)合金是重要的功能

3、材料之一。鈦金屬因具有高的比強(qiáng)度，強(qiáng)耐腐蝕性和高耐熱性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)，航空航天，化學(xué)化工等領(lǐng)域。核反應(yīng)堆使用的很多設(shè)備、管道和相關(guān)部件，均需要大量的鈦和鈦基合金材料。鈦合金還被用來(lái)做核反應(yīng)堆的保護(hù)罩，以降低核輻射。無(wú)論是核燃料還是核反應(yīng)堆功能材料，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)材料自身性能的發(fā)揮均至關(guān)重要。由于核材料應(yīng)用環(huán)境的限制，不可避免的會(huì)受到中子、離子或電子輻射，以及發(fā)生α衰變和裂變等，這將會(huì)使得晶體結(jié)構(gòu)中的原子發(fā)生散射碰撞，從而使能

4、量發(fā)生轉(zhuǎn)化形成晶體缺陷。這一些缺陷的產(chǎn)生對(duì)核材料微結(jié)構(gòu)的演化起到推動(dòng)作用，將導(dǎo)致材料熱性能以及機(jī)械性能的退化。弄清材料中缺陷的形成和擴(kuò)散機(jī)制，對(duì)控制和預(yù)測(cè)材料在輻照下的微結(jié)構(gòu)演化至關(guān)重要。
　　本論文基于上述考慮，采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理的方法，對(duì)ThO2，PuO2，Ti金屬和TixHf1-x固溶合金等材料中的各類點(diǎn)缺陷形成機(jī)制，以及間隙雜質(zhì)H和He的擴(kuò)散行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究和對(duì)比討論。
　?。ㄒ唬┪覀兛紤]了

5、不同價(jià)態(tài)的點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比形成能尋找到材料中最有可能形成的缺陷形式，并且運(yùn)用點(diǎn)缺陷模型分析了缺陷濃度隨著化學(xué)計(jì)量的變化趨勢(shì)。
　?。ǘ〩和He原子在鈦金屬中形成缺陷分別需要放出和吸收不同的能量，這使得H原子和He原子在鈦金屬中的擴(kuò)散行為截然不同。根據(jù)間隙原子H和He不同的擴(kuò)散方式，我們分別建立了不同的擴(kuò)散模型，運(yùn)用過(guò)渡態(tài)理論得到了擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)。
　?。ㄈ┩ㄟ^(guò)聲子色散曲線的計(jì)算，我們討論了雜質(zhì)原子與金屬原子

6、之間的耦合作用，分析對(duì)比了過(guò)渡態(tài)下各類間隙原子不同的聲子振動(dòng)行為，并且對(duì)比了同位素效應(yīng)(H/D/T)對(duì)聲子振動(dòng)能的影響。
　?。ㄋ模┩ㄟ^(guò)特殊準(zhǔn)隨機(jī)結(jié)構(gòu)方法，我們構(gòu)建了x=0.75和x=0.5兩種比例下TixHf1-x二元固溶合金的有序結(jié)構(gòu)。由于合金結(jié)構(gòu)中參與構(gòu)成各類間隙位的組分不同，因此使得雜質(zhì)原子在合金中的形成和擴(kuò)散方式更加多元化。通過(guò)計(jì)算對(duì)比所有可能存在的間隙位的缺陷形成能，確定雜質(zhì)原子在TixHf1-x合金中的最穩(wěn)定溶解位，