二氧化鈾基本性質(zhì)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(jì)算方法,來研究二氧化鈾的一些基本光學(xué)性質(zhì)以及非化學(xué)計(jì)量比的二氧化鈾UO2±x結(jié)構(gòu)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(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng),傳統(tǒng)的第一性原理密度泛函的方法無法正確的預(yù)測二氧化鈾電子性質(zhì)。所以我們采用密度泛函理論加HubbardU校正項(xiàng)的方法對5f電子的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)進(jìn)行處理,進(jìn)而對二氧化鈾基本性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算。由于不同的U只對材料的性質(zhì)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(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化,計(jì)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(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,得到比較適合的U值。優(yōu)化的結(jié)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(zhì)進(jìn)行計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。對態(tài)密度的計(jì)算結(jié)果顯示:價帶主要是U5f和O2p軌道組成,導(dǎo)帶主要是U6d和U5f軌道組成的。在這個計(jì)算基礎(chǔ)上,對二氧化鈾的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)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(xiàn)的實(shí)驗(yàn)以及理論結(jié)果進(jìn)行了對比,結(jié)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及裂變產(chǎn)物的溶解

4、性研究能夠?qū)O2輻射下的行為有很好的解釋,對核反應(yīng)的安全性有很大的幫助。所以本文采用GGA+U的方法來計(jì)算UO2超級原胞的點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)的形成能的變化和結(jié)構(gòu)的體積變化,并著重的研究了一下缺陷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變化。在非化學(xué)計(jì)量比的二氧化鈾UO2±x結(jié)構(gòu)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(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算,研究了缺陷結(jié)構(gòu)的體積和能量的變化規(guī)律。在氧缺陷的計(jì)算中,發(fā)現(xiàn)除氧二聚體的情況除外,隨著非化學(xué)計(jì)量參數(shù)x的增加,整個