二氧化鈾基本性質的第一性原理研究.pdf

1、本文主要是通過利用第一性原理的計算方法,來研究二氧化鈾的一些基本光學性質以及非化學計量比的二氧化鈾UO2±x結構的穩(wěn)定性研究。由于二氧化鈾中鈾原子中未填滿的5f電子的強關聯(lián)效應,傳統(tǒng)的第一性原理密度泛函的方法無法正確的預測二氧化鈾電子性質。所以我們采用密度泛函理論加HubbardU校正項的方法對5f電子的強關聯(lián)效應進行處理,進而對二氧化鈾基本性質進行了計算。由于不同的U只對材料的性質有一定的影響,文中首先利用廣義梯度近似(GGA)以及局

2、域密度近似(LDA)方法對不同的HubbardU項進行優(yōu)化,計算過程中我們考慮了自旋,反鐵磁以及加U的三種因素,通過與一些實驗的數(shù)據(jù)進行對比,得到比較適合的U值。優(yōu)化的結果顯示:對于GGA+U(PW91)的方法,U值取在3.5ev左右比較合適,而對于LDA+U的方法,取值在4.5ev左右。其次用廣義梯度近似的方法并且利用優(yōu)化后的U值對二氧化鈾的基本性質進行計算,優(yōu)化后的晶格常數(shù)a=b=5.558、c=5.496,并且得出二氧化鈾是一種莫

3、托絕緣體,帶隙是2.03ev這與實驗結果比較吻合。對態(tài)密度的計算結果顯示:價帶主要是U5f和O2p軌道組成,導帶主要是U6d和U5f軌道組成的。在這個計算基礎上,對二氧化鈾的光學性質進行了計算,包括介電常數(shù),消光率,反射率,折射率等,并且與其他文獻的實驗以及理論結果進行了對比,結果峰值的位置以及變化的趨勢吻合的比較好。
　　最后由于二氧化鈾可以產(chǎn)生連續(xù)的裂變產(chǎn)物,對裂變過程中產(chǎn)生的氧原子或鈾原子的缺陷結構的穩(wěn)定性以及裂變產(chǎn)物的溶解

4、性研究能夠對UO2輻射下的行為有很好的解釋,對核反應的安全性有很大的幫助。所以本文采用GGA+U的方法來計算UO2超級原胞的點缺陷結構的形成能的變化和結構的體積變化,并著重的研究了一下缺陷結構的穩(wěn)定性變化。在非化學計量比的二氧化鈾UO2±x結構中,我們對不同超原胞的氧間隙原子、氧空位、以及鈾空位的形成能進行了詳細的數(shù)值計算,研究了缺陷結構的體積和能量的變化規(guī)律。在氧缺陷的計算中,發(fā)現(xiàn)除氧二聚體的情況除外,隨著非化學計量參數(shù)x的增加,整個