نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه فیزیک، دانشکدة علوم پایه، دانشگاه مازندران، بابلسر ‏

چکیده

در این مقاله، با استفاده از نظریۀ اختلالی تابعی چگالی و نظریۀ تابعی چگالی در چارچوب محاسبات اصول اولیه خواص ترمودینامیکی، ساختاری و طیف ارتعاشی دی اکسید توریم مورد مطالعه قرار گرفته است. به منظور محاسبۀ معادلات کوهن- شم جهت به دست آوردن کمینۀ انرژی کل بلور از نرم‌افزار کوانتوم اسپرسو، که یک کد محاسباتی متن باز است، استفاده شده است. طیف ارتعاشی دی اکسید توریم در امتداد مسیرهای پر تقارن مختلف بررسی شد که نتایج به دست آمده حاکی از پایداری دینامیکی سامانۀ بلوری بود. از مدل شبه هماهنگ دبای- اینشتین که در کد گیبس 2 پیاده‌سازی شده است، به منظور محاسبۀ خواص ترمودینامیکی دی اکسید توریم تحت دما و فشار بالا استفاده شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان دادند که دمای دبای دی اکسید توریم با افزایش دما در یک فشار ثابت کاهش می‌یافت و با افزایش فشار در یک دمای ثابت افزایش پیدا می‌کرد. افزایش دمای دبای بیانگر افزایش سختی بلور و سرعت صوت متوسط بود. مشاهده شد که ضریب انبساط گرمایی حجمی و پارامتر گرونیسن با افزایش فشار در یک دمای ثابت به صورت نمایی کاهش می‌یافتند، در حالی که با افزایش دما در یک فشار ثابت، افزایش می‌یافتند که بیانگر افزایش انتقال حرارت در شبکه بلوری بود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Theoretical study of ThO2 by first principles calculations

نویسندگان [English]

  • M Mahdavi
  • M H Sahafi

Department of Physics, Faculty of Science, University of Mazandaran, Babolsar, Iran

چکیده [English]

In this paper, the thermodynamic, structural properties and vibrational spectrum of thorium dioxide have been studied using the Density Functional Perturbation Theory (DFPT) and Density Functional Theory (DFT) in the framework of first principles calculations. Quantum espresso software, which is an open source computing code, has been used in order to compute the kohn-Sham equations to obtain the minimum total energy of crystal. The vibrational spectrum of the thorium dioxide was examined along various symmetrical directions, and the results showed the dynamical stability of the crystal system. The quasi-harmonic Debye-Einstein model as implemented in GIBBS2 Code was used to calculate the thermodynamic properties of thorium dioxide at high temperatures and pressures. The simulation results showed that the Debye temperature of thorium dioxide decreased with increasing temperature at a constant pressure and increased with increasing pressure at a constant temperature. Increasing the Debye temperature indicated an increase in the crystal stiffness and the average sound velocity. It was observed that the volumetric thermal expansion coefficient and gruneisen parameter decreased exponentially with increasing pressure at a constant temperature, while increased with increasing temperature at a constant pressure, indicating an increase in heat transfer in the crystal lattice

کلیدواژه‌ها [English]

  • nuclear fuel
  • Debye-Einstein thermal model
  • vibrational entropy
  • volumetric expansion ‎coefficient

A Resnick, K Mitchell, J Park, E B Farfán and T Yee, Nuclear Engineering and Technology 5 (2019) 1398.

M Saoudi, D Staicu, J Mouris, A Bergeron, H Hamilton, M Naji, D Freis, and M Cologna, J. Nucl. Mater.  (2018) 381.

J S Herring, P E MacDonald, K D Weaver and C Kullberg, Nucl. Eng. Des. 1 (2001) 65.

H Nakamura and M Machida, J. Nucl. Mater. (2019) 45.

J Park, E B Farfán and C Enriquez, Nuclear Engineering and Technology 5 (2018) 731.

S Parker, J White, P Hosemann and A Nelson, J. Nucl. Mater.  (2019) 151760.

B Dorado, B Amadon, M Freyss and M Bertolus, Phys. Rev. B: Condens. Matter. 23 (2009) 235125.

L Petit, A Svane, Z Szotek, W M Temmerman and G M Stocks, Phys. Rev. B: Condens. Matter. 4 (2010) 045108.

J Fink, J. Nucl. Mater. 1 (2000) 1.

J J Carbajo, G L Yoder, SG Popov and V K Ivanov, J. Nucl. Mater. 3 (2001) 181.

M Lung and O Gremm, Nucl. Eng. Des. 2 (1998) 133.

D Olander, J. Nucl. Mater. 1 (2009) 1.

M Todosow, A Galperin, S Herring, M Kazimi, T Downar, and A Morozov, Nucl. Technol. 2 (2005) 168.

N Richard, S Bernard, Jollet and M Torrent, Phys. Rev. B: Condens. Matter. 23 (2002) 235112.

R Atta-Fynn and A K Ray, Phys. Rev. B: Condens. Matter. 11 (2007) 115101.

I S Lim and GE Scuseria, Chem. Phys. Lett. 460 (2008) 137.

I Shein, K Shein and A Ivanovskii, Tech. Phys. Lett. 2 (2007) 128.

A Otero-de-la-Roza, D Abbasi-Pérez and V Luaña, Comput. Phys. Commun. 10 (2011) 2232.

X Gonze and C Lee, Phys. Rev. B: Condens. Matter. 16 (1997) 10355.

S Baroni, S De Gironcoli, A Dal Corso and P Giannozzi, Rev. Mod. Phys. 2 (2001) 515.

J P Perdew, K Burke and M Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 7 (1997) 1396.

H J Monkhorst and J D Pack, Phys. Rev. B: Condens. Matter. 12 (1976) 5188.

J S Olsen, L Gerward, V Kanchana and G Vaitheeswaran, J. Alloys Compd. 1-2 (2004) 37.

V Kanchana, G Vaitheeswaran, A Svane and A Delin, J. Phys.: Condens. Matter. 42 (2006) 9615

تحت نظارت وف بومی