乏燃料后处理中重要物理化学过程的计算化学模拟

)：本项目计划借助于现代理论化学方法和高性能计算化学模拟，开展对乏燃料后处理过程中发生的若干关键化学物理过程的系统的计算化学模拟。计划研究锕系和镧系金属离子与弱Lewis碱配位体的成键作用的本质，寻找其配位强度的规律，为乏燃料中镧系/锕系离子的分离提供理论指导；在理论与实验紧密结合的基础上，开展对钚溶液中分子物种的深入研究，确定其溶剂配位层和氧化还原过程的热力学和动力学参数，并解释和预测钚化合物的波谱性质；开展锕系团簇纳米粒子的计算化学模拟，开展锕系元素化合物及其纳米材料的相对论量子化学研究，阐明其稳定性、反应性和结构及成键的规律，探讨相对论效应对锕系元素化合物及其纳米粒子化学性质的影响。本项目以提高我国锕系化学基础研究的创新能力为目标。

围绕乏燃料后处理中重要物理化学过程的计算化学模拟，采用理论化学和高性能计算方法开展了系统的研究工作。研究要点是对乏燃料中镧/锕离子萃取分离、波谱性质和熔盐条件下的物化性质进行计算化学模拟，涉及镧/锕核素分离、锕系化合物成键规律、电子结构、锕系熔盐体系及固体表面、锕系离子配合物光谱和激发态的理论研究。计算模拟需要考虑锕系元素的显著相对论效应、电子相关效应和溶剂环境/熔盐条件。我们经过四年努力发表了42篇论文，达到了科研目标。总结如下：.1）镧/锕系离子分离的理论研究：锕/镧核素分离是核废料后处理过程的重要环节。我们对其涉及的镧/锕系化合物的电子结构、配位及热力学性质开展了理论研究，加深对分离萃取过程的认识；对镧系元素羰基化合物MCO (M = Sc, Y, La-Lu) 的电子结构和周期性规律进行了研究，有助于理解镧/锕核素分离。.2）锕系化合物的成键规律、氧化态及电子结构和光谱研究：首次发现CUO分子中存在C≣U四重键，增强了对锕系化合物中5f/6d 电子成键特性的认识；发现Si(μ-X)AnF3 (An = Th, U; X = H, F)化合物中锕-硅多重自由基成键，丰富了传统的化学键理论。发现周期表中元素氧化态的周期性规律，首次提出PuO4分子中Pu的正五价和铱氧化物[IrO4]+中Ir的正九价，引起重元素化学界的关注。.3）锕系熔盐体系及固体表面的理论研究：应用分子动力学方法模拟了1100-1400K温度内不同分子比重(LiF/ThF4 = 20.0-0.5)的动力学过程，及F-ThFn不同配位结构的动力学寿命，通过密度泛函理论分析Th-F成键性质，有助于理解熔盐体系的配位结构及物化学性质。开展了H2O和醇类分子在金属单原子掺杂的ThO2(111)和UO2(111)表面分解的理论研究，有助于理解锕系化合物表面的腐蚀作用。.4）锕系离子配合物光谱和激发态的理论研究：应用相对论量子化学计算，结合光电子能谱技术研究了锕系卤素化合物、气相UO2X3– (X = F, Cl, Br, I)分子、铀酰、镎酰、钚酰及钍离子与TMOGA配体的作用；基于相对论密度泛函理论及含时电子光谱法研究了锕酰生物配体化合物-铀酰甘氨酸水合物体系[UO2(Gly)n(H2O)m]2+(n=0-2,m=0-5)的结构、光谱等；研究了几种典型含氧配体的铀酰配合物，有助于海水提铀中萃取剂的选择。