铀、钚氧化物及氢化物电子结构和相稳定性的第一性原理分子动力学研究

本项目将基于第一性原理分子动力学，开展锕系金属钚和铀的氧化物及氢化物电子结构和相稳定性的理论与计算研究，模拟不同外部条件下的相行为及其转变过程。在发展相关理论模型及算法的基础上，理解锕系元素5f电子轨道的各向异性、巡游性、关联局域性及强自旋-轨道耦合等相互竞争的多样性。计算获得材料电子结构、电荷布居、力学性质、声子振动特性及相关热力学性质。从微观角度揭示材料电子占据态对宏观物理、化学性质的影响，讨论其相稳定性，给出其在氧化、氢化过程中的电子占据贡献机理及化学键键合机制，建立钚和铀的氧化物及氢化物化学键共价离子结合性质理论数据库，为实验研究金属表面氧化、氢化提供理论支持。在若干基础问题上取得理论突破与原创成果。预期这些研究工作将丰富钚、铀氧化物和氢化物的数据库，并促进我国在锕系科学领域的研究。

本项目中我们基于第一性原理方法开展了锕系金属钚和铀的氧化物及氢化物电子结构和相稳定性的理论与计算研究，模拟了不同外部条件下这些重要核材料的相行为及其转变过程。首先，我们针对典型铀氧化物UO2讨论了强关联局域性以及自旋-轨道耦合对它基态物性、状态方程、高压相变等的影响。我们发现自旋-轨道耦对状态方程和热力学性质等影响不大，只是在精确描述基态结构和电子结构的时候需要考虑，而强关联对该材料的作用非常明显，无论在基态计算还是宏观物性描述方面都需要考虑。在此基础上，我们计算了它在不同压强和温度条件下的密度、弹性常数、弹性模量、德拜温度、声子谱、自由能、比热、熵等，最后成功得到了它的相图。其次，基于UO2的经验我们进一步计算和研究了(Pu,U)O2、UH3、PuH2和PuH3的电子结构、电荷布居、力学性质、声子振动特性及相关热力学性质。特别是针对Pu-H体系的计算，在结合强关联和自旋-轨道耦合后，我们成功得到了跟实验相符的磁态，通过反应能计算我们探讨了金属钚的氢化。最后，我们计算了其它重要的核材料及核防护材料体系，取得的结果对我们理解铀、钚金属氧化物及氢化物的相稳定性有很大参考价值。比如对AmO2热导的计算、对ThH2亚稳相高温声子谱的计算、对TiZr合金体系的计算等等。总之，在跟相关实验和理论结果符合的基础上，我们给出了大量前人没有报道的数据，共发表SCI论文12篇，相关文章发表后受到了国际国内同行的广泛关注和引用，可以说我们的结果为相关实验和理论提供了非常有益的参考，促进了我国在锕系科学领域的研究。