發(fā)布時(shí)間：2020-07-14 13:07

【摘要】：近年來,隨著事故容錯(cuò)燃料概念的提出,國內(nèi)外核材料相關(guān)研究人員高度關(guān)注核燃料及其結(jié)構(gòu)材料在運(yùn)行工況和事故工況下的可靠性。對燃料而言,不僅需要發(fā)展新型事故容錯(cuò)燃料,還需要回答現(xiàn)有燃料材料的相穩(wěn)定性、輻照穩(wěn)定性以及與包殼的界面相容性問題。本論文使用團(tuán)簇式和第一原理計(jì)算討論典型鈾鉬、鈾鋯、鈾鉬鋁和鈾氮等核燃料體系中化合物的相穩(wěn)定性;搜集大量的彈性數(shù)據(jù),進(jìn)一步完善前人提出的適用于立方晶系材料的韌脆轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則,并將其應(yīng)用到相穩(wěn)定性與輻照穩(wěn)定性的研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)鈾鉬二元系化合物相穩(wěn)定性研究。使用團(tuán)簇式分析了鈾鉬系化合物的晶體結(jié)構(gòu),高溫體心立方γ-U相與體心四方U2Mo相具有相同的團(tuán)簇形式,配位數(shù)均為CN14,因此,利用這個(gè)團(tuán)簇可以從原子尺度解釋γ-U相向U2Mo的相變過程。從能量、彈性、動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行的第一原理計(jì)算表明,I4/mmm-U2Mo相是一種亞穩(wěn)相,在低溫下有可能存在六方、正交結(jié)構(gòu)等其他結(jié)構(gòu)。基態(tài)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的機(jī)理是費(fèi)米能級處電子占據(jù)數(shù)較低,這可能是體心四方亞穩(wěn)相在應(yīng)變作用下引起相變的根本原因。(2)鈾鉬鋁三元系化合物相穩(wěn)定性研究。使用團(tuán)簇式分析了鈾鉬鋁系化合物的晶體結(jié)構(gòu),立方系U-Mo-Al系中的化合物UMo2A120由[Mo-Al12]和[U-Al16]兩種團(tuán)簇構(gòu)成,而且前者與非晶合金中類二十面體準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)相似,因此,該化合物很容易形成非晶,與已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。第一原理計(jì)算表明,UMo2A120滿足彈性和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性準(zhǔn)則,表現(xiàn)出與離子鍵相似的成鍵特征,其穩(wěn)定性機(jī)理源于Al-p電子與Mo-d電子間較強(qiáng)的雜化作用。[Mo-Al12]團(tuán)簇中Mo-Al鍵和Al-Al鍵均是成鍵態(tài),而在[U-Al16]團(tuán)簇中U-Al鍵和Al-Al鍵成鍵態(tài)和反鍵態(tài)共存。(3)鈾鋯二元系化合物相穩(wěn)定性研究。使用團(tuán)簇式分析了鈾鋯系化合物的晶體結(jié)構(gòu),鈾鋯二元系中的δ-UZr2相中存在以Zr原子為中心,配位數(shù)為CN14的團(tuán)簇,該團(tuán)簇與α-Zr中配位為CN12的立方八面體團(tuán)簇相似。用該團(tuán)簇可以解釋該相相區(qū)成分寬的原因。根據(jù)該團(tuán)簇模型,從高溫體心立方γ-U相向低溫六方δ相相變過程中,γ-U相中的鍵長和鍵角的變化,使其菱形十二面體團(tuán)簇向δ相中的團(tuán)簇發(fā)生轉(zhuǎn)變。該團(tuán)簇形式與第一原理計(jì)算結(jié)果、分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果、正電子湮沒譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。本論文中使用透射電鏡(TEM)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了富鈾的鈾鋯合金中普遍存在δ相,指出正電子湮沒譜實(shí)驗(yàn)中推測的富鋯納米團(tuán)簇就是δ相。針對δ相,制備了富鋯的U-Zr合金,并用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、TEM以及X射線光電子能譜(XPS)對其微觀組織和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。(4)鈾氮系化合物相穩(wěn)定性研究。使用團(tuán)簇式分析了鈾氮系化合物的晶體結(jié)構(gòu),鈾氮系化合物五種晶體結(jié)構(gòu)的差異僅僅在于氮原子的占據(jù)位置。其中鈾原子形成立方八面體團(tuán)簇,而氮原子既可以占據(jù)該團(tuán)簇的四面體間隙位,也可以占據(jù)八面體間隙位。根據(jù)上述團(tuán)簇得到的[U-U6N6]團(tuán)簇可以合理地解釋NaCl型UN向菱面體UN在高壓下的相變過程,以及CaF2型UN2、Mn2O3型U2N3以及NaCl型UN之間的相變過程。氧對典型鈾氮化合物UN2的相穩(wěn)定性影響的第一原理計(jì)算表明,氧很容易占據(jù)氮的空位,其結(jié)構(gòu)、彈性和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性表明鈾氮氧三元系化合物在熱力學(xué)上是穩(wěn)定的,其穩(wěn)定性機(jī)理源于U-N的成鍵態(tài)和U-O的部分成鍵態(tài)。(5)材料韌脆轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則的推廣及其與相穩(wěn)定性、輻照穩(wěn)定性的關(guān)系。對適用于立方晶系的材料韌脆轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則進(jìn)行了修改,采用體彈模量(B)對柯西壓力(CP)進(jìn)行無量綱化,同時(shí)對四方、正交和六方晶系的柯西壓力進(jìn)行平均處理,使其適用于四方、正交和六方晶系。統(tǒng)計(jì)700多組彈性數(shù)據(jù),得到柯西壓力/體彈模量(CP/B)與剪切模量/體彈模量(G/B)之間的線性規(guī)律。對Pugh準(zhǔn)則、Pettifor準(zhǔn)則和經(jīng)驗(yàn)的泊松比準(zhǔn)則進(jìn)行了關(guān)聯(lián),發(fā)現(xiàn)G/B可以用于衡量材料的成鍵特性,而且溫度、壓力和缺陷對該線性關(guān)系沒有顯著影響。一般情況下,溫度和壓力會(huì)使材料的G/B降低,但當(dāng)材料發(fā)生某些物理變化時(shí),如相變、磁性轉(zhuǎn)變等,G/B值會(huì)發(fā)生突變,該發(fā)現(xiàn)可以用于材料相穩(wěn)定性研究。如果材料的G/B隨溫度變化范圍較窄,那么該材料有可能具有優(yōu)異的輻照穩(wěn)定性。從電子尺度討論材料的彈性響應(yīng)發(fā)現(xiàn),電荷在三類關(guān)鍵點(diǎn)之間存在流動(dòng),但在有些關(guān)鍵點(diǎn)處的電荷密度并不發(fā)生變化。上述結(jié)果深化了變形對固體中電荷重構(gòu)影響的認(rèn)識(shí)。
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TL21
【圖文】：

Ｉ逡逑（ｂ）逡逑圖１．３整體Ｕ－Ｍｏ金屬型燃料元件（ａ）外觀（ｂ）截面圖逡逑由固體和氣體裂變產(chǎn)物引起的腫脹可以用如下方程進(jìn)行估算，逡逑ＡＶ／Ｖ０＝５．０ｆＤ；ＡＶ／Ｖ０＝ｌ５邋＋邋６．３（ｆＤ邋－３）＋０．３３（／Ｄ－３）２邐（１－１）逡逑Ｖ0是燃料制備后的體積，體積腫脹的單位是百分比，ｆＤ的單位是１０２７ｆ／ｍ３，逡逑前一個(gè)公式的適用條件是：ｆＤ＜邋３ｘｌ0２７邋ｆ／ｍ３，后一個(gè)公式的適用條件是裂變密度ｆＤ＞逡逑３ｘｌ0２７ｆ／ｍ３，。上述關(guān)系式說明腫脹與裂變密度間存在非線性關(guān)系。燃料腫脹速率逡逑隨著裂變密度的X椉游⑷醯腦黽印ｅ義隙雜詰グ逭逍停眨停錆巳劑�，荚~沽馴涿芏雀哂詰團(tuán)ㄓ巳劑希裁揮蟹⑾皺義希稿義

本文編號：2755012