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ThC热导性质的第一性原理计算研究

作　者: 潘蓉
导　师: 柯学志
学　校: 华东师范大学
专　业: 理论物理
关键词: 第一性原理声子色散关系弛豫时间玻耳兹曼输运碳化钍
分类号: O551.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着社会对能源的需求,对核工程的改进建设和燃料改进成为各国核工程工作的计划。自二战时期第一代核电站建成,至今已有四代核电站。现在各国都在大力发展第四代核电站,熔盐堆因其较好的循环反应受到各国关注。其中钍基熔盐反应堆(TMSR)较高的转换效率、较少的放射性核素、可以防止核扩散等特点,我国又具有丰富的钍储备量,政府也将钍基熔盐反应堆作为核工程重点项目,“未来先进核裂变能”战略性先导科技专项之一近年来,核材料的选择也成为大家关注的重点。钍基燃料因其优势也受到广泛关注。锕系元素钍金属(Thorium)在元素周期表中原子序数为90。直到1988年,化学家才首次得以分离纯净的钍。钍单质有较高的熔点和沸点。在1400℃以下是基态,即Q相,原子排列成面心立方晶体；当达到1400℃时,发生相变,β相是体心立方结构。其单质是银白色金属。目前使用较多的钍基燃料是ThO2以及ThO2基氧化物,但这些燃料熔点高、难溶于液体,导致后处理过程困难。此时钍的碳化物走进科学家视野。金属ThC熔点较高,热导性能较好。但是目前缺乏对钍的碳化物热导性能系统的研究,而热导性能恰是核工程中选择核燃料极为重要的部分。本文从第一性原理角度出发,系统研究导体热导的计算方法,并计算金属ThC的热导。对导体而言,热导主要是由电子热导和晶格热导组成。导体ThC的热导率随着温度的增加而增加。电子热导占主要作用,随温度升高而增加；晶格热导随着温度的降低而减小,对热导率的贡献也越来越小。我们也计算了电子态密度和声子态密度。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-11
第一章绪论  11-23
  摘要  11
  1.1 核材料的研究背景  11-16
    1.1.1 核电站的发展  11-12
    1.1.2 熔盐反应堆发展  12-13
    1.1.3 熔盐反应堆工作原理  13-14
    1.1.4 TMSR系统  14-16
  1.2 钍基燃料  16-22
    1.2.1 锕系元素钍  16-17
    1.2.2 钍氧化物ThO_2  17-19
    1.2.3 一碳化钍ThC  19-22
  1.4 本章小结  22-23
第二章理论基础  23-39
  摘要  23
  2.1 第一性原理  23-31
    2.1.1 玻恩——奥本海默近似  24-25
    2.1.2 Hohenberg-Kohn定理  25-26
    2.1.3 Kohn-Sham方程  26-28
    2.1.4 交换关联泛函  28-30
    2.1.5 赝势平面波法  30-31
  2.2 自洽声子计算  31-32
    2.2.1 晶格的哈密顿量  31
    2.2.2 自洽声子计算  31-32
  2.3 固体能带理论  32-34
  2.4 Boltzmann输运理论  34-35
  2.5 密度泛函计算方法  35-36
  2.6 Boltztrap计算方法  36-37
  2.7 fropho计算方法  37-38
  2.8 本章小结  38-39
第三章 ThC热导研究  39-63
  摘要  39
  3.1 能量计算收敛性分析  39-41
  3.2 金属热导的第一性原理计算  41-59
    3.2.1 晶格热导计算方法  42-50
      3.2.1.1 U过程和N过程  42-43
      3.2.1.2 Callaway模型  43-48
      3.2.1.3 Asen修正Callaway模型  48-50
    3.2.2 ThC晶格热导计算结果  50-53
    3.2.3 电子热导计算方法  53-55
    3.2.4 电子热导计算结果  55-59
  3.3 ThC的热导率  59-60
  3.4 ThC电子能带  60-61
  3.5 金属热导研究不足  61-62
  3.6 本章小结  62-63
总结  63-64
参考文献  64-68
附录  68-69
后记  69

ThC热导性质的第一性原理计算研究

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