铀/钚金属及其合金和化合物性质的第一性原理研究

First principle descriptions for properties of metallic uranium and plutonium, their alloys and compounds based on density functional theory will be explored in this project, and we plan to perform the following research contents. The computational models for different magnetic configurations and crystal structures of metallic uranium and plutonium, their alloys and compounds will be established. The main work will be focused on the density functional theory characterization of uranium and plutonium 5f states, and quantitative or qualitative relations between electronic structure, physical properties and thermodynamical properties. Several density functional theory methods will be integrated to analyze the spin polarization, orbital polarization, spin-orbit coupling, delocalized or localized behaviors of 5f electrons, strong relativistic and correlation effects on physical properties and thermodynamical properties of metallic uranium and plutonium, their alloys and compounds. Based on the above discussions, we will solve the key universal problems limiting the application of density functional theory to the actinide elements (especially uranium and plutonium). The research achievements can be helpful for providing an important technical support for developing new nuclear materials of nuclear weapon and nuclear reactor, and have relative high theoretical significance, economic benefit and military value.

项目旨在探索基于密度泛函理论的铀/钚金属及其合金和化合物性质的第一性原理描述方法，拟开展如下研究内容：建立不同磁性构型和晶体结构铀/钚金属及其合金和化合物的计算模型，重点解决铀/钚元素5f状态的密度泛函理论方法描述问题，研究电子结构与物理性质和热力学性质之间的定量/定性关系，通过不同密度泛函理论方法之间的结合分析自旋极化、轨道极化、自旋-轨道耦合、5f电子离域/定域行为、强相对论效应和关联效应对铀/钚金属及其合金和化合物物理性质和热力学性质的影响。通过上述研究，有效解决制约密度泛函理论方法应用于铀/钚等锕系元素的关键共性技术难题，为我国研发新一代核武器和核反应堆核材料提供重要的技术支持，项目研究具有较高的理论意义、经济效益和军事价值。

铀/钚金属及其合金和化合物是核反应堆和核武器的重要组成材料，开展本课题研究，对于确保核武器作战性能、提高核反应堆使用效率和使用寿命具有重要的理论意义和应用价值。本课题旨在探索铀/钚金属及其合金和化合物性质的第一性原理描述方法，研究了自旋极化（SP）、自旋-轨道耦合（SOC）、5f电子离域/定域行为、强相对论效应和关联效应对铀/钚金属及其合金和化合物性质的影响。.对于轻锕系元素U，非磁构型适合描述U，不需要考虑SP效应，所以U的5f电子处于离域状态的5f3构型，DFT计算结果与实验数据一致。然而，Pu位于具有离域5f电子的轻锕系元素和具有局域5f电子的重锕系元素的边界上，SP模拟了5f电子的局域效应，所以非磁基态δ相Pu的晶格参数和体积模量与实验值一致。Fermi能级附近几乎没有5f电子，这与光电子发射谱（PES）不一致，可能是由于局域Coulomb U的劈裂作用，所以δ相Pu的局域密度近似（LDA）+U获得填满的f5/2状态和空的f7/2状态的非磁构型。从原理上讲，LDA+U方法对应于更加先进的LDA+动态平均场理论（LDA+DMFT）静态极限。.然后，本课题研究了SP、SOC和在位Coulomb相互作用U对铀/钚金属及其合金和化合物性质的影响。比如，对于Pu4H12体系的晶格参数，广义梯度近似（GGA）结果明显优于LDA近似；SP效应对晶格参数没有影响，只是在SP+GGA+U vs GGA+U中稍微改善晶格参数结果；而Hubbard U相互作用、SOC效应、SP+U耦合效应、SP+SOC耦合效应、U+SOC耦合效应和SP+U+SOC耦合效应均明显改善晶格参数结果。.为了更好地描述Pu的强关联效应，我们采用连续时间量子Monte Carlo（CT-QMC）杂质求解器和LDA+DMFT方法研究了PuN的电子结构，研究发现：Fermi能级附近出现尖峰，这表明PuN是一种金属，这与Wen等HSE和PBE+U计算结果一致，该尖峰来自Pu 5f 5/2贡献，而0.6eV和1.6eV位置的峰来自Pu 5f 7/2 状态。Fermi能级附近两个尖峰可以视为相干准粒子峰，而两个宽峰主要来自类原子特征，即下方和上方Hubbard能带。PuN的5f电子占据数为5.0，这与Havela等反应溅射实验研究结果一致，而不是Petit等计算获得的5f3构型。