δ相Pu及Pu-Ga合金老化机理研究

Plutonium is a kind of artifical radionuclide, whose metal form has a significant value in defense and civilian. Self-irradiation, Phase stability and surface corrosion in Pu-based materials are the important factors of aging, which are also the focus of research. On the basis of the results of preliminary studies, the microscopic mechanisms of aging of delta phase Pu and Pu-Ga alloy will be studied in this project. The displacement cascade evolution of U recoil nucleus produced by Pu α decay, the microscopic evolution of point defect clusters, and the interactions of extend defect-fracture with point defect clusters will be performed molecular dynamics (MD) calculations. To track the long-term evolution behaviors of point defects in delta-Pu, ab initio, molecular dynamics and mesoscopic Monte Carlo will be coupled to perform the multi-scale calculations.The effects of Pu 5f eletrons, Ga atom, He bubble and U atom on the phase stability in delta-Pu will be evaluated with MD method and Ga-stabilizing mechanisms of delta phase Pu-Ga alloy will be systematically researched.The hybrid and mixture effects of Pu 5f, 6d states with H 1s, C 2p, N 2p, O 2p and S 3p states, and the chemical bonding behaviors of Pu atom with the valence atom will also be described.The mechanism of surface corrosion will be investigated. The research achievements in this project can be helpful for improving the safety, the reliability and the surface corrosion resistance of the stored Pu materials.

钚是一种人工放射性核素，其金属形态具有重要的国防和民用价值。自辐射效应、相稳定性和表面腐蚀是其老化的重要因素，长期以来都是研究的热点之一。本项目在前期研究成果基础上，开展基于原子水平的δ相Pu和Pu-Ga合金的老化机理研究。对纯δ相Pu中α衰变产生的U反冲核所致碰撞位移级联过程、点缺陷团簇的微观演变过程以及破裂与点缺陷团簇之间的相互作用进行计算，耦合从头算法，分子动力学方法和介观蒙特卡罗方法进行多尺度计算，预测点缺陷的长期演变行为，从微观尺度捕获Pu自辐射所致老化特征；研究Pu 5f电子、Ga原子、He泡和U原子对δ-Pu相稳定性的效应，分析δ相Pu-Ga合金的Ga稳定机制；研究Pu 5f, 6d与H 1s, C 2p, N 2p, O 2p 、S 3p 态之间杂化和混合效应以及化学成键行为，揭示Pu表面腐蚀机理。项目研究成果将有助于提高Pu材料部件的贮存安全性、可靠性和表面抗腐蚀性。

本课题以库存钚部件为研究对象，从相稳定性，自辐射所致老化和表面腐蚀三个方面系统地研究了δ相Pu和Pu-Ga合金的原子水平老化机理。首次根据第一性原理和嵌入原子方法构建了U-U，Pu-U和Ga-U原子间作用势，研究了5f电子，Ga原子，He泡和U原子对δ-Pu相稳定性的效应，从微观和宏观尺度捕获了钚部件中自辐射所致老化特征。.在相对论有效原子实势(RECP)近似下，用Gaussian09和密度泛函理论(DFT)方法B3LYP杂化交换-相关泛函研究了Pu2，PuGa，Ga2，PuHe，He2，GaHe，PuH，PuC，C2，PuO，PuN，PuS，S2和UHe的分子结构和基态电子状态，进行Murrell-Sorbie解析势能函数的数值拟合。.用DFT方法对Pu-U和Ga-U有序金属间化合物，以及fcc，bcc，sc和hcp结构U晶体的电子结构进行了计算，通过嵌入原子方法构建了U-U，Pu-U和Ga-U 原子间作用势。.对纯δ相Pu中α衰变产生的U反冲核所致碰撞位移级联过程，点缺陷团簇的微观演变过程，以及扩展缺陷-破裂与点缺陷团簇之间的相互作用进行了分子动力学计算。.研究了Pu-Ga相图，尤其是在环境压强和温度条件下Ga稳定δ-Pu分解为α-Pu和Pu3Ga沉淀的共析转变过程，δ α'等温马氏体转变过程以及该转变过程中时间-温度-转变(TTT)图像的双C曲线动力学。系统研究了δ相Pu-Ga合金的Ga稳定机制。采用分子动力学方法研究了5f电子，U原子，He泡和Ga原子对δ-Pu相稳定性的效应。研究了Pu-Ga有序金属间化合物的电子结构，以及δ相Pu-Ga合金晶格常数与Ga原子含量之间的函数关系。研究了δ-Pu中自辐射所致老化机理：初始瞬态膨胀，He泡形核和生长，以及潜在的空穴膨胀行为。研究表明He泡所引起的体积膨胀很小，几乎不会导致晶格膨胀。.通过对Pu表面腐蚀行为的研究发现Pu必须保存在密封的干燥容器中，容器中不能存在含氢材料。采用DFT方法研究了PuH2，PuH3，PuC，PuN，PuO，β-Pu2O3，PuO2和PuS的局域态密度(PDOS)和差分电荷密度，分析了Pu 5f，6d状态和H 1s，C 2p，N 2p，O 2p和S 3p状态之间的杂化和混合效应，研究了Pu原子与化合原子之间的化学成键行为。