锕系元素熔盐体系的多尺度模拟研究及其在第四代反应堆系统中的应用

Actinide molten salts, fuel of thorium molten salt reactors and medium for the pyrochemical processing of spent fuel, are essential materials for the generation IV reactors (Gen IV). The structure, thermodynamic properties, viscosity, thermal and electrical conductivities, and diffusion coefficient are fundamental physicochemical properties for the development and operation of Gen IV..The experimental study of actinide molten salts involves intensive radiation, high temperature, strong corrosiveness, anhydrous and anaerobic conditions, thus can only be carried out in laboratories meeting extremely stringent requirements. The high cost, time consuming, and possible errors of the experimental study of actinide molten salts have impeded the development of Gen IV..In this project, multi-scale simulations will be applied to the study of structures and physicochemical properties of actinide molten salts. The density functional theory calculations combined with maximally localized Wannier function method will be applied to the development of force field models; the classical molecular dynamics (MD) simulations be applied to the study of structures and physicochemical properties as well as the calculation of RAMAN spectra; and the ab initio MD simulations be applied to the validation of classical MD simulations. Our multi-scale simulation results, with appropriate experimental verification, can provide basic physicochemical properties to the development and operation of Gen IV.

锕系元素熔盐体系不但是钍基熔盐堆的燃料，也是干法处理乏燃料的介质，在第四代反应堆系统中起着极其重要的作用。这些体系的结构、热力学性质、黏度、热导率、扩散系数、电导率等是研制和运行第四代反应堆系统的基础物理化学数据。.锕系元素熔盐的实验研究涉及强辐射、高温、强腐蚀、无水、无氧等极端条件，精确测量这些体系的物理化学性质的成本高、进度慢、干扰多、误差大，难于满足研制第四代反应堆系统的要求。.本项目拟采用多尺度模拟方法研究锕系元素熔盐的结构和性质，包括：密度泛函理论计算结合最大局域化Wannier函数分析，开发体系的力场模型；经典分子动力学模拟研究体系的结构和物理化学性质、RAMAN光谱；第一性原理分子动力学模拟检验和验证经典分子动力学模拟的结果。配合适当的实验验证，本项目可以为研制、运行第四代反应堆系统提供基础物理化学数据。

本项目开展了锕系元素熔盐体系结构和性质的经典分子动力学(MD)和第一性原理分子动力学(FPMD)模拟研究、熔盐体系中金属离子氧化还原电位的密度泛函理论(DFT)计算等研究。.在分子动力学模拟方面，开发了锕系元素离子熔盐体系的可极化分子力场模型、优化了力场参数。在此基础上，模拟研究了熔盐体系的结构性质、热力学性质、迁移性质。同时，还利用FPMD模拟研究了UCl3和PuCl3在LiCl-KCl低共熔体中的结构及其动态、热力学性质、迁移性质。.在氧化还原电位计算方面，发展了计算水溶液中配位化合物氧化还原电位的方法，用于计算Cu(II)配位化合物的氧化还原电位，结果与实验符合良好。在计算熔盐体系中金属离子的氧化还原电位方面，提出了采用DFT结合热力学积分计算熔盐体系中金属离子氧化还原电位的方法，包括参考态（参比电极）和热力学循环的设计、系综位型的构建、DFT计算、系综平均的计算等步骤。本方案克服了在具有长程库伦相互作用的熔盐体系中缺乏计算溶剂效应有效方法的难题，成功实现了熔盐体系中氧化还原电位的计算。在项目实施过程中，提出了构建系综位型的三种不同方案，即利用FPMD模拟构建位型、绝热替换法构建位型、垂直替换结合驰豫法构建位型。在此基础上，成功计算了LiCl-KCl低共熔体系中过渡金属离子、镧系元素离子、锕系元素离子的氧化还原电位，结果与实验相符良好。