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u3si2-Al的电子、力学和热学性质的密度泛函理论研究

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U3Si2-Al的电子、力学和热学性质的密度泛函理论研究

作者：陈新宇河北科技大学

学位级别：硕士

自2011年福岛核事故后,核工业界对事故工况下反应堆的安全性提出了重大需求,并提出了事故容错燃料系统的新概念。目前正在研究的事故容错核燃料包含多个分支,其中一个重要分支便为合金燃料(例如u-si系列合金燃料)。usi作为u-si合金燃料... 详细信息

自2011年福岛核事故后,核工业界对事故工况下反应堆的安全性提出了重大需求,并提出了事故容错燃料系统的新概念。目前正在研究的事故容错核燃料包含多个分支,其中一个重要分支便为合金燃料(例如u-si系列合金燃料)。usi作为u-si合金燃料中的一员,由于其超高的热导率以及高达11.3g(u)/cm的含铀密度,被作为新型事故容错核燃料的理想候选材料;然而,usi存在的主要问题为力学性能与抗氧化性能差,需要通过添加合金元素,实现其原有物理化学性质的优化,从而形成新型铀硅系合金燃料。当前对铀硅系合金燃料的研究与设计已经成为事故容错燃料系统的热门研究课题,也是我国核工业发展的攻关重点之一。前期研究已表明Al元素的添加能够明显改善usi的抗氧化能力,但缺乏对于其力学和热力学性能方面的研究。因此,本工作聚焦于探讨Al元素在改善usi力学与热力学性能上的作用。目前已取得的成果及结论如下:1.通过DFT+u方法得到了以usi三种内在缺陷位置作为Al元素合金化位点所形成的三元化合物基态结构,并且对它们的稳定性分别进行了计算;结果显示三种化合物皆为热力学稳定结构。2.针对对电子结构的分析结果表明,si位置被取代形成的usi-Al(Ⅲ)化合物展示出金属特性,其差分电荷密度图和局域电荷密度图的结果表明u-u,u-si,u-Al和si-Al之间分别形成了金属键,离子键,金属键和共价键。3.针对弹性性质的分析结果显示出Al元素的加入明显提高了usi的韧性。同时其三维杨氏模量的结果表明:与usi相比,si位置被Al原子取代形成的掺杂结构依旧保持着较高的各项同性,而在uI位置被取代所形成的掺杂结构则呈现出明显的各向异性。4.声子热导各向异性的计算结果表明,合金化后的三元化合物依旧保持着较高的各向同性;而电子热导系数的结果则显示,随着温度的增加,三种化合物的电子导热系数均为线性增加。

关键词： u3si2 合金化第一性原理力学性质热力学性质

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u3si2热稳定性与防护研究

中国核科技报告 1994年 1000-1007页

作者：张惠英孙吉昌孙荣先中国核动力研究设计院四所成都中国核动力研究设计院四所

叙述了用热分析方法研究usi在Ar、N和空气中的热稳定性,以及usi/Al、usi/Zr间的相互反应。实验结果表明,usi/Al弥散体生坯在空气中加热时,生坯中Al基体并不能完全防止usi的氧化;usi颗粒在钢瓶N气(99.95％)中加热时,在689℃时有一放热峰,... 详细信息

叙述了用热分析方法研究usi在Ar、N和空气中的热稳定性,以及usi/Al、usi/Zr间的相互反应。实验结果表明,usi/Al弥散体生坯在空气中加热时,生坯中Al基体并不能完全防止usi的氧化;usi颗粒在钢瓶N气(99.95％)中加热时,在689℃时有一放热峰,经X射线鉴定,usi与N反应生成uN;usi颗粒在钢瓶Ar气(99.95％)中加热到1000℃时,无任何反应。usi/Zr弥散体冷压块,在瞬态温度加热过程中,929℃时有可测得的反应。根据热分析结果,对usi-Al弥散型燃料板生产中的各工序防护措施进行了改进。生产实践证明,这些改进后的防护措施有效地保证了安全生产及产品质量,并降低了成本。

关键词：气中空气热稳定性热分析气冲工业气体热力学性质金属粉末铝粉燃料元件燃料板 u3si2 生坯 St 反应 si

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u3si2初始氧化原位XPS研究

U3Si2初始氧化原位XPS研究

第十届全国腐蚀大会

作者：闫婷文谢东华潘启发胡殷表面物理与化学重点实验室中国工程物理研究院材料研究所

u3si2作为核燃料,相比于传统的uO2燃料,具有高的铀密度和良好的导热性等优点,是极具潜力的下一代核燃料候选。但目前对u3si2氧化机理的研究仍有待深入开展。本文采用电弧熔炼方法制备了u3si2,分别使用SEM和XRD表征了样品的表面形貌和结... 详细信息

u3si2作为核燃料,相比于传统的uO2燃料,具有高的铀密度和良好的导热性等优点,是极具潜力的下一代核燃料候选。但目前对u3si2氧化机理的研究仍有待深入开展。本文采用电弧熔炼方法制备了u3si2,分别使用SEM和XRD表征了样品的表面形貌和结构。通过原位XPS分析研究了u3si2的初始氧化行为,结果表明,u3si2初始氧化时,u与si表现出不同的氧化行为,u3si2的氧化产物首先是氧化铀,暴露在足够的氧气中后,u3si2可能会氧化形成硅酸铀。

关键词： u3si2 初始氧化原位XPS 硅酸铀

来源： cnki会议评论

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u3si2热稳定性与防护研究

中国核科技报告 1994年第S1期 36-36页

作者：张惠英孙吉昌中国核动力研究设计院四所中国核动力研究设计院四所成都

关键词：热稳定性钢瓶颗粒热力学性质 si u3si2

基于数值反应堆多物理耦合的u3si2燃料堆内性能研究

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基于数值反应堆多物理耦合的U3Si2燃料堆内性能研究

中国核学会2021年学术年会

作者：许晓北刘宙宇曹良志吴宏春西安交通大学核科学与技术系

事故容错燃料可延长反应堆在设计基准事故及超设计基准事故下的应对时间和减小放射性泄漏的可能性与后果,对于提升反应堆的安全性具有重要意义。usi燃料具有传热性能强和铀密度高的优点,是事故容错燃料中最具潜力的候选燃料之一。为了评... 详细信息

事故容错燃料可延长反应堆在设计基准事故及超设计基准事故下的应对时间和减小放射性泄漏的可能性与后果,对于提升反应堆的安全性具有重要意义。usi燃料具有传热性能强和铀密度高的优点,是事故容错燃料中最具潜力的候选燃料之一。为了评估usi燃料的堆内性能,基于数值反应堆多物理耦合程序系统NECP-X/CTF/NECP-CALF针对usi进行数值模拟。程序系统基于Picard全耦合迭代方法,采用基于内存的内耦合方法,进行栅元级别的网格映射,具备针对轻水堆的中子学-热工水力-燃料性能耦合模拟能力。针对装载usi燃料的典型压水堆单组件全寿期燃耗问题进行模拟,并与装载uO的常规组件进行对比。数值结果表明:usi燃料具有比uO燃料更高的初始反应性,且反应性下降更慢;usi燃料相比uO燃料具有更低的轴向功率峰;usi燃料的最高温度相比uO燃料得到显著下降;usi燃料的裂变气体释放相比uO燃料推迟约120天;在寿期末,uO燃料与包壳发生相互接触,而usi燃料在整个寿期内均未与包壳发生接触;总体上usi燃料具有比uO燃料更加优异的安全性能。

关键词：数值反应堆多物理耦合 NECP-X 事故容错燃料 u3si2

来源： cnki会议评论

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u_3si_2-AI 弥散型燃料元件

核动力工程 1990年第2期11卷 69-74页

作者：孙荣先西南反应堆工程研究设计院

u_3si_2-Al 弥散型板状燃料元件是新发展的高铀密度的研究堆燃料.辐照和全堆芯试用表明:元件外形尺寸稳定;无裂变产物泄漏;直到燃耗达98%时,u_3si_2颗粒肿胀都是裂变密度的线性函数;u_3si_2与铝基体和铝包壳在制造和辐照中都是相容的。... 详细信息

u_3si_2-Al 弥散型板状燃料元件是新发展的高铀密度的研究堆燃料.辐照和全堆芯试用表明:元件外形尺寸稳定;无裂变产物泄漏;直到燃耗达98%时,u_3si_2颗粒肿胀都是裂变密度的线性函数;u_3si_2与铝基体和铝包壳在制造和辐照中都是相容的。芯体铀密度最高达4.8g(u)/cm^3的 u_3si_2-Al 燃料都是适合研究堆使用的低浓铀燃料.

关键词：研究堆燃料元件 u3si2

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研究堆燃料的发展现状与前景

原子能科学技术 2011年第7期45卷 847-851页

作者：孙荣先解怀英中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室四川成都610041

在过去33年中,国际降低研究和试验堆铀浓度计划已成功开发和应用了u3si2-Al弥散型燃料。但由于u3si2的抗辐照性能限制了它可能承受的运行温度与裂变密度,所以该燃料只适用于低功率密度的研究堆。u7Mo-Al弥散型燃料中的uMo颗粒与Al基体... 详细信息

在过去33年中,国际降低研究和试验堆铀浓度计划已成功开发和应用了u3si2-Al弥散型燃料。但由于u3si2的抗辐照性能限制了它可能承受的运行温度与裂变密度,所以该燃料只适用于低功率密度的研究堆。u7Mo-Al弥散型燃料中的uMo颗粒与Al基体发生广泛的化学反应,将引起严重的肿胀与起泡问题。近年来,给u7Mo颗粒表面涂敷ZrN隔离层,获得防止反应的显著效果,使u7Mo-Al弥散型燃料有望应用于实践。u10Mo单片型燃料的芯体铀密度可达16g/cm3,辐照性能良好,但制造方法需进一步完善;应用中国核动力研究设计院改进的框架结构与轧制方法,能够控制uMo芯体与Al包壳具有相近的延伸率,从而可成功地轧制出合格的u10Mo合金单片型燃料板。

关键词：研究堆燃料元件 u3si2 uMo合金

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u化合物中缺陷行为的从头算研究

U化合物中缺陷行为的从头算研究

作者：周碧荣电子科技大学

学位级别：硕士

核能是一种安全、低碳、可大规模利用的清洁能源。二氧化铀(uO)因其高熔点和高剂量辐照下稳定的萤石结构,是目前核能发电中应用最广泛的燃料。由于uO在核燃料循环中的重要地位和铀中未填满的5f轨道所产生的复杂电子结构,uO在辐照环境下... 详细信息

核能是一种安全、低碳、可大规模利用的清洁能源。二氧化铀(uO)因其高熔点和高剂量辐照下稳定的萤石结构,是目前核能发电中应用最广泛的燃料。由于uO在核燃料循环中的重要地位和铀中未填满的5f轨道所产生的复杂电子结构,uO在辐照环境下的结构演化和性能受到了广泛的实验和模拟研究。当前对uO的原子模拟主要采用经典分子动力学模拟,但该方法的模拟结果依赖于原子间相互作用势能的精度且作用势中没有考虑5f电子之间的强关联作用。另外,铀三硅二(usi)的低铀浓缩和高导热性使它在核反应堆中具有事故耐受性核燃料的潜力。研究usi点缺陷的稳定性对充分认识其在辐照环境下的服役行为有重要意义,但目前对usi缺陷的相关研究比较匮乏。近年来,从头算分子动力学方法已被证明是一种研究缺陷行为的有效模拟手段,它能以从头算精度预测低能反冲事件中缺陷产生的机理、缺陷的类型、分布和相互作用,并且无需拟合原子间相互作用势。另一方面,强关联体系中电子间的强关联能通常可以用Hubbard u进行校正。本论文主要采用从头算分子动力学方法,并对二氧化铀中铀5f电子进行Hubbard u校正,模拟了二氧化铀的低能反冲事件。此外,我们采用基于密度泛函理论框架下的广义梯度近似(GGA)方法,结合Hubbard u校正和旋轨耦合(SOC)方法对usi的点缺陷稳定性进行了研究,主要探讨了Hubbard u校正和旋轨耦合效应对usi中点缺陷形成的影响。本论文的研究结果将有利于加深对铀核燃料的认识和理解,为极端条件下核燃料的损伤控制和安全性评估提供一定的理论指导和依据。本文主要研究内容如下:1.我们采用从头算分子动力学方法模拟了uO沿四个主要晶格方向的低能反冲事件,确定了氧和铀在不同晶格方向上的位移阈能。结果表明,位移阈能是各异向性的,即不同晶格方向上的位移阈能不同,其中铀沿着和方向分别具有最小和最大的位移阈能,而氧则沿着和方向分别具有最小和最大的位移阈能。我们发现,铀沿着和方向得到的位移阈能与经典分子动力学模拟结果可比拟,但与sudden approximation(SA)得到的模拟结果相差较大。当前计算得到的铀和氧原子的平均位移阈能分别为46.96eV和25.56eV,其中铀的平均位移阈能比用SA方法得到的位移阈能均值更接近实验结果,而氧的平均位移阈能略高于采用SA方法和实验得到的结果。2.我们分析了氧和铀低能反冲事件中所产生的缺陷类型。所有的氧位移事件均产生了相似的缺陷类型即氧弗伦克尔对,而铀位移事件则产生了各种不同的缺陷类型如空位、桥位和哑铃对间隙以及反位缺陷,但损伤终态仍主要由空位和间隙组成。此外,铀和氧间隙缺陷主要占据八面体位置。与经典分子动力学比较,本工作采用的从头算分子动力学及考虑铀的5f电子间的强关联校正揭示了u反位缺陷以及铀的哑铃对间隙这两种新的缺陷类型。3.我们分别采用GGA,GGA+u(1.5eV)和GGA+u+SOC三种不同方法计算了usi的空位和反位形成能。三种方法计算的缺陷形成能结果均表明空位形成能比反位形成能更低。用GGA方法得到的结果表明si空位比u空位更稳定,但后两种方法得到的计算结果表明u空位比si空位更容易形成。此外,我们发现考虑SOC作用导致空位和反位缺陷的形成能增大。通过比较不同方法得到的缺陷形成能结果,发现对铀的5f电子进行强关联校正以及考虑SOC作用对缺陷形成的相对稳定性有较大的影响。***,GGA+u(1.5eV)和GGA+u+SOC三种计算方法获得的相对体积变化和键长有所区别,但均表明缺陷形成会使原子间的化学键伸长或缩短,从而改变usi的晶格体积。用GGA方法计算的键长结果表明缺陷的产生导致u-u>键长明显缩短,但考虑Hubbard u相关校正后,缺陷形成对u-u>键的影响不大。考虑SOC作用后,缺陷形成对usi体积的影响变大了,且空位缺陷导致u-si>键键长取值区间的最大值明显减小,即SOC作用对u-si>相互作用影响最大。

关键词： uO2 位移阈能从头算方法 u3si2 点缺陷形成能