نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

پژوهشکدة فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی، تهران

چکیده

درک رفتار حرارتی و فرایندهای مرتبط با انتقال حرارت در سوخت هسته‌ای UO2 در راکتور هسته‌ای اهمیت بسیاری در پیش‌بینی کارایی سوخت دارد. اگر انتقال حرارت، که یک پارامتر مهم در توزیع دما در سوخت هسته‌ای است، به خوبی صورت نگیرد، باعث بالا رفتن دما در سوخت شده و منجر به ذوب آن می‌شود که حوادث زیست محیطی را در پی خواهد داشت. در این پژوهش، با توصیف ساده حالت پارامغناطیس توسط محاسبات غیر- اسپین- قطبیده، و صرف‌نظر کردن از اعمال تصحیح هابارد، خواص حرارتی و فونونی بلور UO2 محاسبه شده است. این محاسبات مبتنی بر روش‌های نظریة تابعی چگالی (DFT) و نظریة اختلال تابعی چگالی (DFPT) است. در تعیین خواص ارتعاشات شبکه با استفاده از روش جابه‌جایی محدود، ثابت‌های نیروی مرتبة دوم و مرتبة سوم را به دست آورده و با استفاده از آنها کمیت‌هایی مانند گرمای ویژه در حجم ثابت، پارامتر گرونایزن، نرخ پراکندگی سه فونونی، نرخ پراکندگی ناشی از درصدهای ایزوتوپی مختلف و در نهایت رسانش حرارتی انباشته را برای درصدهای ایزوتوپی مختلف محاسبه کرده‌ایم. نتایج نشان داد که گرمای ویژة محاسبه شده در تقریب هارمونیک تطابق خوبی با تجربه، به ویژه در دماهای زیر 400 کلوین، دارد. نتایج مربوط به نرخ پراکندگی سه فونونی به ازای دماهای مختلف نشان داد که افزایش دما باعث افزایش نرخ پراکندگی و در نتیجه کاهش رسانش حرارتی می‌شود. نتایج همچنین نشان داد که وجود ناخالصی ناشی از درصدهای ایزوتوپی مختلف تأثیر محسوسی در نرخ پراکندگی ندارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation of phonon properties and thermal behavior of UO2 crystal using density-functional theory

نویسندگان [English]

  • M Payami Shabestar
  • S Sheykhi

Physics and Accelerators Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, Tehran, Iran

چکیده [English]

Understanding thermal behavior and processes underlying the heat transport of UO2 nuclear fuel in nuclear reactor plays a key role in predicting the efficiency of the fuel. If the heat transport, which is an important parameter in temperature distribution of the fuel, does not occur properly, the continuous increase of temperature would lead to the melting of the fuel and therefore, environmental hazards. In this work, by using a non-spin-polarized calculation for the simple description of the paramagnetic state and ignoring the Hubbard correction, the thermal properties and phonon properties of bulk UO2 are calculated. These calculations are based on the density-functional theory (DFT) and density-functional perturbation theory (DFPT). To determine the lattice-vibration properties by the finite-displacement method, we have calculated the second-order and third-order force constants based on which such quantities as  constant-volume specific heat, Gruneisen parameter, three-phonon scattering rate, scattering rate due to different levels of isotopic enrichment, and cumulative thermal conductivity are calculated. The results of the calculated specific heat based on the harmonic approximation show a good agreement with the experimental values, specifically for temperatures lower than 400 Kelvin. The results obtained for three-phonon scattering rate reveal that the scattering rate increases with temperature, thereby leading to the decrease of thermal conductivity. The results related to different levels of isotopic enrichments do not show any sensible changes in the scattering rates.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • uranium dioxide
  • phonon
  • phonon scattering rate
  • phonon mean free path
  • Boltzmann transport equation

  1. T Godfrey, W Fulkerson, T Kollie, J Moore, and D McElroy, J. of the American Ceramic Society 48, 6 (1965) 297.
  2. G Dolling, R Cowley, and AWoods, Canadian Journal of Physics 43, 8 (1965) 1397.
  3. L Goldsmith and J Douglas, J. of Nucl. Mater. 47, 1 (1973) 31.
  4. J Fink, M Chasanov, and L Leibowitz, J. of Nucl. Mater. 102, 1 (1981) 17.
  5. J Fink, J. of Nucl. Mater. 279, 1 (2000) 1.
  6. S Motoyama, Y Ichikawa, Y Hiwatari, A Oe, Phys. Rev. B 60, 1 (1999) 292.
  7. K Yamada, K Kurosaki, M Uno, and S Yamanaka, J. of Alloys and Compounds 307 (2000) 10.
  8. T Arima, S Yamasaki, Y Inagaki, K Idemitsu, J. of Alloys and Compounds 400 (2005) 43.
  9. G Kaur, P Panigrahi, M C Valsakumar, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 21 (2013) 065014.

10. J W L Pang, W J L Buyers, A Chernatynskiy, M D Lumsden, B C Larson, S R Phillpot, Phys. Rev.Lett. 110 (2013) 157401.

11. A Resnick, K Mitchell, J Park, E B Farfn, and T Yee, Nuclear Engineering and Technology (2019). doi:https://doi.org/10.1016/j.net.2019.03.011.

12. E Torres, T Kaloni, J. of Nucl. Matter. 521 (2019) 137.

13. G Amoretti, A Blaise, R Caciu_o, J M Fournier, M T Hutchings, R Osborn, A D Taylor, Phys. Rev. B 40 (1989) 1856.

14. J Faber, G H Lander, B R Cooper, Phys. Rev. Lett. 35 (1975) 1770.

15. M Idiri, T Le Bihan, S Heathman, J Rebizant, Physical Review B 70, 1 (2004) 014113.

16. P Hohenberg and W Kohn, Phys. Rev. 136 (3B) (1964) B 864.

17. W Kohn, L J Sham, Phys. Rev. 140, 4A (1965) A1133.

18. B Dorado, B Amadon, M Freyss, M Bertolus, Phys. Rev. B 79 (2009) 235125.

19. M Freyss, B Dorado, M Bertolus, G Jomard, E Vathonne, P Garcia, and B Amadon, 113 in Ψk Scientific Highlight Of The Month, (2012). URL: https://psi-k.net/highlights/.

20. S Sheykhi and M Payami, Physica C: Superconductivity and its Applications 549 (2018) 93.

21. R Peierls, in: Selected Scientific Papers of Sir Rudolf Peierls: (With Commentary), World Scientific (1997) 15.

22. S Sheykhi and M Payami, https://arxiv.org/pdf/1907.04174.pdf

23. W Neil Ashcroft, “Solid State Physics”, Cambridge University Press (1990).

24. M Omini, A Sparavigna, Physica B: Condensed Matter 212, 2 (1995) 101.

25. L Lindsay, D A Broido, and N Mingo, Phys. Rev. B 82 (2010) 161402.

26. W Li, L Lindsay, D A Broido, D A Stewart, and N Mingo, Phys. Rev. B 86 (2012) 174307.

27. N Mingo, D Stewart, D Broido, L Lindsay, and W Li, In: S. Shinde, G. Srivastava (eds) Length-Scale Dependent Phonon Interactions, Topics in Applied Physics, vol 128, Springer (2014) 137.

28. P Giannozzi, S Baroni, N Bonini, M Calandra, R Car, C Cavazzoni, D Ceresoli, G L Chiarotti, M Cococcioni, and I Dabo, et al., J. of physics: Cond. Matter 21, 39 (2009) 395502.

29. J P Perdew, K Burke, and M Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 3865.

30. S Baroni, S de Gironcoli, A Dal Corso, and P Giannozzi, Rev. Mod. Phys. 73 (2001) 515.

31. M Sanati, R C Albers, T Lookman, and A Saxena, Phys. Rev. B 84 (2011) 014116.

32. W M Jones, J Gordon, and E A Long, J. Chem. Phys. 20 (1952) 695.

33. G E Moore and K K Kelley, J. Amer. Chem. Soc. 69 (1947) 2105.

34. W Li, J Carrete, N A Katcho, and N Mingo, Comp. Phys. Communications 185, 6 (2014) 1747.

تحت نظارت وف ایرانی