金属铀热力学性质的密度泛函理论研究 - 图学学报.pdfVIP

第34 卷 第2 期 核 聚 变 与 等 离 子 体 物 理 Vol.34, No.2 2 0 1 4 年 6 月 Nuclear Fusion and Plasma Physics June 2014 文章编号：0254−6086(2014)02−0126−04 金属铀热力学性质的密度泛函理论研究 1 1 2 1 张日东 ，邓新平 ，段 涛 ，雷洁红 (1. 西华师范大学物理与电子信息学院，南充 637009 ；2. 西南科技大学极端条件物质特性实验室，绵阳 621010) 摘 要：运用密度泛函理论方法，采用MS 中CASTEP 模块计算了铀晶体的能量随体积变化的关系，并绘制 了E- V 曲线。运用准谐振子德拜模型计算了压强从0 ～100GPa、温度从0 ～2000K 下的晶体铀的相对体积，发现 相对体积随着温度和压强的增加而减小。并成功得到了热膨胀系数、热容、以及体弹模量随温度和压强的变化关 系。预测了铀的热力学性质。为铀晶体在高温高压下的实验研究提供了理论依据。 关键词：密度泛函理论；热力学性质；铀 中图分类号：O741.3 文献标志码：A 1 引言 铀属于立方晶系，空间群 229-1M3M[1] ，晶格常数 金属铀在核工业、核能源以及核武器中都具有 为3.5335nm。 很重要的应用，这就需要对其在不同环境条件下的 本工作采用广义梯度近似的密度泛函理论方 行为有一个详细的了解[1] 。而材料的所有宏观性质， 法结合准简谐德拜模型，对铀的热力学参数，包括 都与其微观结构密切相关。因此，为了解释铀在实 热膨胀系数α、热容Cv 、以及体弹模量B 随温度和 际应用中表现出的种种行为，需要对其微观结构进 压强的变化关系进行计算和分析，并对金属铀的热 行研究。对于铀这种放射性材料，进行实验研究手 力学性质进行了预测。 段复杂而且耗时，还有一定的危险性。所以，模拟 计算成为了研究其结构与性质的重要方法。目前， 2 理论模型与计算方法 很多学者对金属铀的晶体结构和光学性质[1, 2]以及 本文基于超软赝势结合广义梯度近似的密度 热力学函数、相变等进行了计算研究[3] ，而关于通 泛函理论方法，首先对铀晶体的能量随体积变化的 过密度泛函理论对金属铀的热力学性质的研究还 关系(E-V 关系)进行了计算。γ-U 晶体结构如图1 所 鲜见报道。在核工业及核能源的利用上，环境温度 示。其中交换相关函数为 GGA-PBE ；使用k-空间 及压强是很重要的因素。所以，对金属铀的热力学 6 ×6 ×6 Monkhorst-Pack 格点和平面波截止能 参数随温度压强的变化关系的研究具有重要的理 300eV 来保证计算的精度；总能量偏差2.0 ×10−5 论与现实意义。本文就是基于这个思想，通过第一 eV ⋅atom−1 ；运用准简谐德拜模型计算铀的热力学 * 性原理计算，得到铀的微观结构及热力学性质。 性质。准简谐德拜模型中，非平衡Gibbs 函数G (V； 金属铀具有非常多有趣的性质，由于其具有的 p ，T)形式： * 正交对称结构，使其成为纯金属