水在二氧化铀表面吸附性质的第一性原理分子动力学研究

The interactions between uranium dioxide (UO2) and other matters are of fundamental importance in nuclear industry, especially for the nulear material disposal. In this work we conduct a systematic theoretical study on the surface corrosion of UO2, by using the first-principles molecular dynamics calculations based on density functional theory. We study the adsorption properties of H2O molecule on surfaces of UO2, and endeavor to describe how defects on surface play a part during the adsorption. Moreover, we illuminate how the strong correlation between uranium 5f electrons dominates the adsorption. Therefore we can make up the deficiency of experimental measurements that fail in microcosmically describing the surface corrosion of UO2 surface. Our study will not only benefit the understanding of corrosion of UO2, but also propose a theoretical prototype for investigating the surface properties of other strongly correlated materials with a partially filled f-electron shell.

二氧化铀（UO2）与物质的相互作用一直是原子能工业领域尤其是核材料安全处置中的重要基础问题。本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学方法，开展对二氧化铀表面吸附问题的计算研究。在对二氧化铀结构及缺陷性质的计算分析基础上，系统研究气体分子H2O在UO2各表面的吸附、扩散和解离性质，并探究UO2材料表面缺陷的存在对吸附性质的影响。通过对吸附态原子和电子结构的详细分析，阐明f电子的强关联相互作用在吸附过程中的作用。本研究可以从理论上弥补目前实验观测中无法从微观角度精确描述UO2表面腐蚀情况的不足，不仅可以促进对UO2这种重要核材料表面腐蚀性质的了解，并且能够为研究其它含有f电子的强关联材料的表面性质等重要问题提供理论依据。

本项目中我们选取二氧化铀（UO2）与物质的相互作用这一重要内容作为我们的研究课题，这被认为是原子能工业领域尤其是核材料安全处置中的重要基础问题。我们采用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学计算方法，开展了对H2O分子在二氧化铀表面吸附性质的系统的分析研究，取得了一定的成果。首先我们找到了H2O在UO2的无缺陷和含有氧空位缺陷的表面的稳定吸附位形，并分析了其电子结构性质，发现氧空位缺陷的存在能有效地增强分子表面的吸附能。同时我们也确认表面U原子的5f电子的强关联相互作用对吸附态的稳定性有重要影响。另外我们也研究了H2O分子在材料表面的扩散路径，并且采用分子动力学模拟方法计算了在不同温度下体系的扩散和解离的性质。以上研究成果从理论上弥补了目前实验观测中无法从微观角度精确描述UO2表面腐蚀情况的不足，从而促进我们对UO2这种重要核材料表面腐蚀性质的了解，对核材料的安全处置有重要意义。