锕系卤素化合物配位结构和电子光谱性质的理论研究

Physical and chemical properties of actinide halide compounds are very important for the safe and sustainable running of nuclear reactor. The actinide fluorides and chlorides extensively exist in the front end of nuclear fuel cycle, e.g., enrichment of 235-U and production of uranium metal, and also in the back end of nuclear fuel cycle, e.g. actinide separation in the pyroprocessing. And therefore, explorations of coordination structures and electronic spectra of actinide halides in the gas phase and high-temperature molten salts have become a vital field of nuclear chemistry and radiation chemistry. Theoretical studies on the actinide halide compounds are essential to interpreting the analytical structural and spectroscopic results, and to uncover the nature of their electronic spectra. Due to the complexity of 5f electronic structures, accurate theoretical studies of actinide halide compounds are still facing great challenges. We will investigate the coordination structures and electronic spectroscopic properties via state-of-the-art computational chemistry methodologies. The dominating species will be firstly determined through optimizing the coordination structures and calculations of thermodynamic stability properties, and followed by the investigation of excited states and absorption electronic spectra. In summary, this project aims to explore the theoretical methodologies applicable for the complicated coordination chemistry of actinide halide compounds, and to provide theoretical support for the related experimental studies.

锕系卤素化合物的物理化学性质对于核反应堆的安全可持续运行具有重要意义，其氟化物和氯化物广泛存在于核燃料循环前段（如235-U的富集和金属铀的制备）和后段（如干法后处理中锕系元素的分离）。因此，探索气相和高温熔盐环境中锕系卤素化合物的结构和光谱，已成为当前核化学与放射化学领域的研究热点之一。开展关于锕系卤素化合物电子结构和光谱性质精确计算和预测的理论研究工作，对于深入理解已有感性实验现象具有重要意义；但鉴于锕系元素特殊的5f电子结构，理论研究也面临重大挑战。本课题拟采用各种计算化学方法，从理论上模拟和预测锕系卤素化合物的配位结构和电子光谱性质。通过优化气相和高温熔盐环境中锕系卤素化合物的配位结构，确定主导物种，进而研究其电子光谱性质，掌握其吸收光谱的规律。综上所述，本课题旨在探索锕系卤素化合物的复杂配位化学的理论研究方法，从而为相关实验研究工作提供一定的理论基础。

锕系镧系化合物的物理化学性质对于核反应堆的安全可持续运行具有重要意义。锕系卤素化合物和氧化物广泛存在于核燃料循环前段（如235-U的富集和金属铀的制备）和后段（如干法后处理中锕系元素的分离）。相关的镧系化合物主要存在核燃料循环后段中，直接影响锕系元素的分离。而探索多种形态下（气相、液相、固相和高温熔盐）锕系镧系化合物的配位结构、热力学和光谱性质，已成为当前核化学与放射化学领域的研究热点之一。本项目旨在采用多种计算化学方法包括密度泛函理论、多参考从头算和分子动力学，开展关于锕系镧系化合物（卤素化合物和氧化物等）几何和电子结构、热力学及光谱性质精确计算和预测的理论研究工作。我们选取了重要的锕系镧系化合物体系，通过优化其配位结构或晶体结构，确定了占主导地位的物种形态，理论预测了其热力学、光谱和化学成键性质。此外，本项目研究了锕系镧系化合物与溶剂分子或者惰性气体分子的相互作用，并分析了相互作用机理。我们的研究结果与已有的实验结果高度吻合，证明了所用理论研究方法的精确性，可被进一步推广到其他锕系镧系化合物的研究中。综上所述，本项目的研究成果为相关的实验研究工作提供了扎实的理论基础。