錒系氮化物燃料的結構缺陷形成與擴散機理的理論研究

《錒系氮化物燃料的結構缺陷形成與擴散機理的理論研究》是依託北京科技大學，由張玉娟擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：錒系氮化物燃料的結構缺陷形成與擴散機理的理論研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：張玉娟
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

錒系氮化物作為未來先進核燃料循環體系的潛在核燃料近年來備受科學界關注。本項目擬結合DFT+U和從頭算分子動力學方法，研究錒系氮化物的基態性質和電子結構特性及主要裂變產物缺陷行為。在嚴格考慮磁性和強關聯電子作用的模型基礎上，闡釋5f電子行為對錒系材料磁性、結構穩定性等基本性質的影響，重點獲取主要裂變產物的溶解擴散行為及其與體材料物性變化的內在關聯。模擬不同組分的錒系氮化物的電子結構、熱力學及缺陷行為；模擬固態裂變產物造成的材料的微觀結構和體積的影響，預測固態裂變產物的穩定存在形態；尋找裂變氣體聚集擴散的能量最優路徑，計算擴散勢壘、結合能和活化能，給出擴散係數，從而揭示氦、氙等裂變氣泡的形成和生長、聚集過程。本項目的實施將加深對先進核燃料錒系氮化物材料的理解和認識，為發展錒系氮化物燃料中裂變產物有效控制方法提供基礎數據和理論指導。

結題摘要

錒系元素氮化物具有高燃值、優異的熱物理性能和易於在硝酸中再處理等優點，被認為是第四代先進核反應堆的有希望的燃料，近年來備受科學界關注。因而，對錒系氮化物燃料缺陷對其體材料物性改性機制的研究具有重要意義。本項目圍繞這一主題，採用第一性原理DFT+U和從頭算分子動力學方法系統研究了錒系氮化物電子結構和力學性能，錒系氮化物固態裂變產物的溶解行為及穩定存在形態，以及氣體裂變產物的聚集和逸出行為等。研究了三元錒系混合氮化物A0.5B0.5N（A，B = U，Np和Pu）的電子結構和鍵合性質，給出了材料的力學性質（如體積和剪下模量，楊氏模量和泊松比），並與其相應的二元錒系氮化物進行了對比分析；研究了（Pu，Zr）N材料的穩定性，力學和熱力學性質，給出了PuN晶體中Zr的併入和溶解能，以及力學性質（如機械模量和泊松比）和熱力學性質隨（Pu，Zr）N晶體中Zr的濃度的單調變化規律；研究了Ba、Zr在UN中的溶解行為，給出了Ba、Zr 在UN中的併入和溶解能，(Ba/Zr,U)N材料的結構，以及材料隨Ba/Zr元素含量的體積變化。研究了Xe原子在UN中的遷移行為，給出了遷移路徑。希望本項目的結果能夠加深對先進核燃料錒系氮化物材料的理解和認識，並為發展錒系氮化物燃料中裂變產物有效控制方法提供基礎數據和理論指導。