新型核燃料碳/氮化铀体相及层状材料的物理性能研究

With the emergence of new types of nuclear reactors such as fast breeder reactor and transmutation reactor, uranium carbide/nitride as a potential nuclear fuel for advanced nuclear fuel system has attracted much attention in recent years. In this project, by using multi-scale and high-throughput theoretical simulations combining first-principles and molecular dynamics approaches, we will study and compare the microstructures, behaviors of defects, and thermodynamics properties of uranium carbide and nitride under irradiation conditions. We will intend to explore the interaction rules between intrinsic defects and fission products defects, and reveal the effects of irradiation conditions on material properties. In order to improve the in-pile structural stabilities and thermal conductive properties, nano-scalar structural design of uranium carbide/nitride will be performed. We will theoretically predict the structural and thermodynamic properties of nano-layered uranium carbide/nitride materials, and preliminary explore the preparation technique of these nanosheet materials. We expect the present work will enrich the database of the in-pile performance of uranium carbide/nitride materials, and provide theoretical guidance for the operations and safety assessment of uranium carbon/nitride advanced fuel under extreme conditions.

随着快中子增殖堆、嬗变堆等新堆型的出现，碳/氮化铀作为先进核燃料循环体系的潜在核燃料近年来备受科学界关注。本项目拟采用第一性原理方法、分子动力学模拟相结合的多尺度、高通量的理论模拟方法，研究并对比碳化铀与氮化铀体系在辐照条件下微观结构、缺陷行为及热动力学性能，探索本征缺陷与裂变产物的相互作用规律，揭示辐照条件与材料性能的关系；为提高核燃料在堆内的结构稳定、传热等性能，本项目还将结合纳米材料技术对碳/氮化铀材料进行结构设计，理论预测碳/氮化铀片层材料的结构及热动力学等物理性质，并初步探索碳/氮化铀片层材料的制备技术。本项目的实施将会完善辐照环境下碳/氮化铀材料堆内性能的数据库，并为极端条件下新型先进碳/氮化铀燃料的运行、安全性评估提供一定的理论指导和依据。

金属铀的碳/氮化物具有高铀密度、高熔点和高热导等诸多优势，成为核能系统重要的候选燃料，是核工业界和科学界研究的热点材料。碳/氮化铀作为先进核燃料，其在辐照效应下结构和物理性能对新型反应堆的正常运行有着重要影响。本项目采用第一性原理DFT+U和从头算分子动力学方法系统研究了碳/氮化铀辐照条件下的电子结构、力学性能和热动力学性能，给出了体系中缺陷的溶解、扩散行为，预测了碳化铀片层材料的稳定结构及热动力学等物理性质并进行了初步验证。研究了三元锕系混合氮化物ABN（A，B=U，Np和Pu）的电子结构和键合性质，给出了材料的杨氏模量、泊松比等力学性能数据。针对核燃料PuN，通过Zr在PuN晶体中的掺入和溶解能证实了三元化合物（Pu、Zr）N倾向于以单一立方NaCl型固溶体的形式存在，并给出了机械模量和热容随Zr的浓度的变化规律。研究了氦和氢杂质原子在UN中的电子结构、存在形态、迁移和捕获行为，并考察了锆和氧的存在对其行为的影响。研究了三元碳化物U-Si-C和U-Al-C层状体材料电子结构及其热力学性质，发现三元碳化物U-Al-C和U-Si-C兼具良好的机械性能和优良的热性能。实验初步获得了U-Al-C体相材料，并进行了初步的热力学性能等方面测试。预测了由三元碳化物U-Si-C和U-Al-C获得的二维层状U-C材料的稳定结构，并且发现层状碳化铀化合物较体相材料具有更好的热力学性质。项目中取得的结果将为锕系氮化物作为新一代核燃料的应用提供理论指导作用，推进锕系氮化物在核能方面应用。在本项目的资助下，项目负责人获评北京科技大学副教授和硕士生导师。