钍的非金属化合物力学及热学性质的第一性原理研究

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近年来,钍的化合物由于被认为是第四代反应堆的潜在核燃料而备受关注。清楚地了解钍化合物在核燃料循环的各个阶段中的物理性质和化学性质,对于开发和利用钍燃料是至关重要的。在本论文中,我们选取了两种钍化物(ThBC和ThP),采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了它们的物理性质。对于ThBC体系,我们着重研究了它的力学和热力学性质;对于Th-P体系,我们系统研究了它在高压下的结构相变和物理性质。通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,我们对ThBC的力学和热力学性质进行了研究。我们系统地分析了ThBC的平衡几何结构、弹性刚度常数、力学模量、泊松比、弹性波速和德拜温度。结果表明ThBC具有延展性。定向的杨氏模量E、体积模量B和几个力学各向异性因子说明了ThBC的力学各向异性。在拉伸应变下,ThBC沿[111]方向易滑移,理想强度为5.7 GPa。在切应变下,ThBC中沿(111)面的[1-10]方向易发生断裂。声子计算结果揭示了ThBC的热力学稳定性,这与实验观察结果一致。在准简谐波近似下,我们计算了ThBC的亥姆霍兹自由能,熵和热容。利用结构搜索和第一性原理计算,我们研究了在压强下Th-P体系的稳定结构并建立了相图。除了实验上已知的三种结构,即ThP、Th3P4和Th12P,我们在不同压强下发现了多达十种稳定的钍磷化物,包括七种富磷结构(ThP9、ThP5、Th2P7、ThP3、ThP2、Th3P5和Th2P3)和三种富钍结构(Th3P2、Th9P2 and Th12P)。焓-压图说明ThP在22.43 GPa从Fm-3m相转变为Pm-3m相。在富磷化合物的晶体结构中,P原子之间的结合呈现出多种形式。这些结构的复杂程度与P含量之间密切相关。在25 GPa下,我们发现Th4P3的新结构与Th3P4的实验结构互为反结构。然而,Th原子的含量决定了富钍化合物的晶体结构中多面体的复杂性。综上所述,ThBC和Th-P体系的理论研究为后续的Th-P体系物理性质和其他钍非金属化合物的系统研究奠定了坚实的理论基础。
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