Ln3TaO7(Ln=La-Ho)氟铝镁钠石缺陷形成能及热学性质的第一性原理研究

摘要

高放核废物的安全处置是核能可持续发展的有效保障，基于此发展起来的陶瓷固化得到了相关领域研究人员的广泛关注。萤石衍生物是较具潜力的高放核废物固化体。A2B2O7烧绿石是萤石衍物之一，由于其较好的耐辐照性能、机械稳定性以及热学稳定性，成为了陶瓷固化基材领域的研究热点。过去的研究表明，烧绿石化合物在粒子束辐照下会发生有序-无序结构相变。最新研究结果表明无序萤石结构存在短程有序，该短程有序结构为氟铝镁钠石结构。因此，研究陶瓷氧化物的抗非晶化机理，不仅要考虑其宏观表现，其微观结构在其中扮演的角色也应予以考虑。此外，氟铝镁钠石结构及具有该结构的化合物也应得到重视。本论文所研究的Ln3TaO7(Ln=La,Pr,Nd；Sm-Ho)系列氟铝镁钠石是萤石衍生物之一，同样在高放核废物固化中具有应用潜力。由于高放核废物固化基材的服役环境为强辐照、高温以及复杂的地壳应力环境，因此对材料的耐辐照性、热稳定性以及机械稳定性提出了严苛的要求。本论文基于前人的研究基础，计算了这一系列化合物的缺陷形成能、力学以及热学性质，对这一系列化合物的耐辐照性能、机械稳定性以及热学稳定性做出评估。本论文主要结论如下：　　1、缺陷形成能计算结果表明，Ln3TaO7(Ln=La,Pr,Nd；Sm-Ho)系列材料的阳离子反位缺陷形成能均较低，因此我们推测这一系列材料具有较好的耐辐照性能；　　2、力学性质计算结果表明，Ho3TaO7的泊松比最小而硬度最大，Ho3TaO7的机械稳定性最好；　　3、热学性质计算结果表明，这一系列材料热膨胀系数其量级为10-6，说明随温度升高其体积缩胀较小；Ho3TaO7的热容最大；Ho3TaO7的熵增趋势与其他化合物一致但其熵增幅度最大，说明随温度升高其结构无序化程度最大。　　综合考虑材料的耐辐照性、热稳定性以及机械稳定性，我们认为Ho3TaO7是这一系列材料中最具潜力的高放核废物固化基材。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.1.1 核废物来源

1.1.2核废物的分类及处理

1.1.3 高放核废料对固化基材的影响

1.2 氟铝镁钠石陶瓷氧化物研究现状概述

1.2.1 烧绿石中氟铝镁钠石结构的短程有序

1.2.2 氟铝镁钠石结构

1.3 研究意义及内容

第二章 密度泛函理论

2.1 密度泛函理论发展背景

2.1.1 薛定谔方程

2.1.2 绝热近似

2.1.3 早期第一性原理计算方法

2.2 密度泛函理论简介

2.2.1 Thomas-Fermi 模型

2.2.2 Hohenberg-Kohn定理

2.2.3 Kohn-Sham 等式

2.2.4 交换关联势

2.3第一性原理计算在陶瓷氧化物研究中的应用

第三章 镧系钽酸盐氟铝镁钠石缺陷形成能的第一性原理研究

3.1引言

3.2 理论计算模型与细节

3.2.1计算模型

3.2.2基本能量的分析

3.2.3计算方法与细节

3.3 结果与讨论

3.3.1结构参数分析

3.3.2 缺陷形成能结果讨论

3.3.3 镧系钽酸盐氟铝镁钠石电子结构的第一性原理研究

3.4 本章小结

第四章 镧系钽酸盐氟铝镁钠石力学及热学性质的第一性原理研究

4.1引言

4.2 理论计算模型与细节

4.2.1计算模型

4.2.2计算方法与细节

4.3 结果讨论

4.3.1力学性质结果分析

4.3.2 热学性质结果分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1主要结论

5.2研究展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢