压力下铀化物结构预测与物性的第一性原理研究

Pressure synthesis of advanced nuclear fuel and revealing the behavioral characteristics of 5f electron in uranium compounds under pressure have the vital significance both for nuclear energy uses and basic science research. Our project aims to investigate the structural transformation and physical properties of the typical uranium compounds (mainly including UxC1-x, UxN1-x,UH3, etc.) under pressure by means of first-principles density-functional-theory methods (DFT). The main contents including: 1) Structure predictions of the typical uranium compounds under pressure. 2) Investigations on the lattice dynamics, elastic properties, electron structure, magnet properties, pressure-induced transformations, etc. of uranium compounds under pressure. 3) Investigation on the behavioral characteristics of 5f electron in the uranium compounds under pressure. Our project aims to reveal the “dual nature” of 5f electron, may design advanced nuclear energy fuel and has the vital significance for the potential nuclear power applications under pressure in the further. At the same time, our project also can provide the valuable informations and theoretical basis for the investigations of the uranium compounds under pressure and the exploration of new advanced nuclear energy fuels.

采用压力合成新型核能燃料和揭示铀化物中5f电子在压力下的行为特性无论对于核能利用还是基础科学研究都具有重要意义。本项目拟通过基于密度泛函理论的第一原理方法对铀化物（铀碳、铀氮等在内的陶瓷核燃料）在压力下的结构相变与物性进行研究。主要内容包括：1. 上述铀化合物在压力下的晶体结构预测; 2. 上述铀化物在压力下的晶格动力学、弹性、电子结构、磁性、压致相变等基本物理学特征研究; 3. 铀化物中5f电子在压力下成键特性研究。本项目的完成有助于揭示铀化物中5f电子在压力下的成键特性，有可能设计出先进的核能燃料，对未来核能在压力下的潜在应用研究具有重大意义，同时也可以为压力下铀化物的研究、新核能燃料的探索与设计提供知识储备和理论依据。

铀氮化合物在核能燃料中有着潜在的应用，但是U-N体系在低温高压下的结构仍然有很多未知，结构及其性质有待于深入研究。本文主要采用CALYPSO软件对UmNn(m=1-4, n=1-4)在零压及高压下进行结构预测，零压下，除了已知组分的化合物U2N3和UN2被预测与实验结构一致，我们发现了UN2化合物中比实验上能量更低的结构I41/amd相，实验相（CaF2-type ）结构存在动力学不稳定性，主要由于皮尔斯机制导致。除此之外，我们还首次预测了U2N3和UN2的高压结构；另外高压下很多新的U-N化合物(UN4, UN3, U3N5, and U2N)被预测得到。我们重点研究了压力导致的相变及其相结构特点，发现富N化合物中N以聚合体形式出现，富U化合物中U以“之”字形式出现在化合物中，并且U-U之间形成较强的共价键。所有预测的结构声子谱均是正值，说明动力学稳定，并对结构在压力下的电子性质做了详细的研究和分析。希望我们的计算结果为实验研究人员提供理论支持，让更多的研究者了解U-N化合物在零压及其高压下的结构特点及其物理性质。