UO2 晶体中低密勒指数晶面表面能的分子动力学模拟

肖红星; 龙冲生

doi:10.7498/aps.62.103104

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摘要

采用基于刚性离子势的分子动力学模拟方法初步计算了UO2晶体中(100), (110)和(111) 3种低密勒指数晶面在300–1500 K范围内的表面能大小. 结果表明, 3种晶面的表面能大小随温度的升高而降低, 与实验结果趋势一致; 原子排列最紧密的(111)晶面具有最低的表面能, 3种晶面的表面能大小从高到低依次为(100), (110)和(111)晶面; 达到平衡状态下的表面层原子相对于体内原子层在表面的法线方向上发生了明显的压缩并且表面层原子的对称性也降低了, 表面原子的弛豫效应一直影响到了第5层. 计算研究结果将有助于深入认识UO2燃料中裂变气体气泡的聚集长大以及燃料的辐照肿胀开裂行为.

关键词:

作者及机构信息

1.
中国核动力研究设计院, 反应堆燃料及材料重点实验室, 成都 610041

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11205146)资助的课题.

参考文献

[1]	Hall R O A, Mortimer M J, Mortimer D A 1987 J. Nucl. Mater. 148 237
[2]	Skomurski F N, Ewing R C, Rohl A L 2006 Am. Mineralogist 91 1761
[3]	Evarestov R, Bandura A, Blokhin E 2009 Acta Materialia 57 600
[4]	Boyarchenkov A S, Potashnikov S I, Nekrasov K 2012 J. Nucl. Mater. 421 1
[5]	Morelon N D, Ghaleb D, Delaye J M 2003 Phil. Mag. 83 1533
[6]	Plimpton S J 1995 J. Comp. Phys. 117 1
[7]	Hoover W G 1985 Phys. Rev. A 31 1695
[8]	Tian X F, Long C S, Zhu Z H 2010 Chin. Phys. B 19 057102
[9]	Abramowski M, Grimes R W, Owens S 1999 J. Nucl. Mater. 275 12
[10]	Tasker P W 1979 Sur. Sci. 87 315
[11]	Eberhart J G 1968 J. Nucl. Mater. 25 103
[12]	Spino J, Rest J, Goll W 2005 J. Nucl. Mater. 346 131
[13]	Xiao H X, Long C S 2011 Nuclear Power Engineering 32 91 (in Chinese) [肖红星, 龙冲生 2011 核动力工程 32 91]
[14]	Noirot J, Desgranges L, Lamontagne J 2008 J. Nucl. Mater. 372 318

施引文献

[1]	Hall R O A, Mortimer M J, Mortimer D A 1987 J. Nucl. Mater. 148 237
[2]	Skomurski F N, Ewing R C, Rohl A L 2006 Am. Mineralogist 91 1761
[3]	Evarestov R, Bandura A, Blokhin E 2009 Acta Materialia 57 600
[4]	Boyarchenkov A S, Potashnikov S I, Nekrasov K 2012 J. Nucl. Mater. 421 1
[5]	Morelon N D, Ghaleb D, Delaye J M 2003 Phil. Mag. 83 1533
[6]	Plimpton S J 1995 J. Comp. Phys. 117 1
[7]	Hoover W G 1985 Phys. Rev. A 31 1695
[8]	Tian X F, Long C S, Zhu Z H 2010 Chin. Phys. B 19 057102
[9]	Abramowski M, Grimes R W, Owens S 1999 J. Nucl. Mater. 275 12
[10]	Tasker P W 1979 Sur. Sci. 87 315
[11]	Eberhart J G 1968 J. Nucl. Mater. 25 103
[12]	Spino J, Rest J, Goll W 2005 J. Nucl. Mater. 346 131
[13]	Xiao H X, Long C S 2011 Nuclear Power Engineering 32 91 (in Chinese) [肖红星, 龙冲生 2011 核动力工程 32 91]
[14]	Noirot J, Desgranges L, Lamontagne J 2008 J. Nucl. Mater. 372 318

[1]	陈秋云, 赖新春, 王小英, 张永彬, 谭世勇. UO2的电子结构及光学性质的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(7): 4945-4949. doi: 10.7498/aps.59.4945
[2]	张仲, 王欢, 王开元, 安欢, 刘彪, 伍建春, 邹宇. 第一性原理研究Zr的掺杂对Xe在UO2中溶解能力的影响. 物理学报, 2018, 67(4): 046101. doi: 10.7498/aps.67.20171863
[3]	陈璐, 李烨飞, 郑巧玲, 刘庆坤, 高义民, 李博, 周长猛. B2-和B19'-NiTi表面原子弛豫、表面能、电子结构及性能的理论研究. 物理学报, 2019, 68(5): 053101. doi: 10.7498/aps.68.20181944
[4]	张超, 唐鑫, 王永亮, 张庆瑜. 替位杂质对贵金属(111)表面稳定性影响的分子动力学研究. 物理学报, 2005, 54(12): 5791-5796. doi: 10.7498/aps.54.5791
[5]	徐威, 兰忠, 彭本利, 温荣福, 马学虎. 微液滴在不同能量表面上润湿状态的分子动力学模拟. 物理学报, 2015, 64(21): 216801. doi: 10.7498/aps.64.216801
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[7]	常旭. 多层石墨烯的表面起伏的分子动力学模拟. 物理学报, 2014, 63(8): 086102. doi: 10.7498/aps.63.086102
[8]	周化光, 林鑫, 王猛, 黄卫东. Cu固液界面能的分子动力学计算. 物理学报, 2013, 62(5): 056803. doi: 10.7498/aps.62.056803
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[10]	王海龙, 王秀喜, 梁海弋. 应变效应对金属Cu表面熔化影响的分子动力学模拟. 物理学报, 2005, 54(10): 4836-4841. doi: 10.7498/aps.54.4836
[11]	刘美林, 张宗宁, 李蔚, 祁阳, 张林, 赵骞. MgO（001）表面上沉积MgO薄膜过程的分子动力学模拟. 物理学报, 2009, 58(13): 199-S203. doi: 10.7498/aps.58.199
[12]	贺平逆, 宁建平, 秦尤敏, 赵成利, 苟富均. 低能Cl原子刻蚀Si(100)表面的分子动力学模拟. 物理学报, 2011, 60(4): 045209. doi: 10.7498/aps.60.045209
[13]	吕晓丹, 赵成利, 宁建平, 秦尤敏, 贺平逆, 苟富均. F原子与SiC(100)表面相互作用的分子动力学模拟. 物理学报, 2011, 60(9): 095203. doi: 10.7498/aps.60.095203
[14]	柯川, 赵成利, 苟富均, 赵勇. 分子动力学模拟H原子与Si的表面相互作用. 物理学报, 2013, 62(16): 165203. doi: 10.7498/aps.62.165203
[15]	陈军, 张景琳, 陈栋泉, 经福谦. 冲击作用下金属表面微喷射的分子动力学模拟. 物理学报, 2002, 51(10): 2386-2392. doi: 10.7498/aps.51.2386
[16]	胡晓君, 戴永兵, 何贤昶, 沈荷生, 李荣斌. 空位在金刚石近(001)表面扩散的分子动力学模拟. 物理学报, 2002, 51(6): 1388-1392. doi: 10.7498/aps.51.1388
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[18]	谢国锋, 王德武, 应纯同. 分子动力学模拟Gd原子在Cu(110)表面的扩散过程. 物理学报, 2003, 52(9): 2254-2258. doi: 10.7498/aps.52.2254
[19]	杨平, 吴勇胜, 许海锋, 许鲜欣, 张立强, 李培. TiO2/ZnO纳米薄膜界面热导率的分子动力学模拟. 物理学报, 2011, 60(6): 066601. doi: 10.7498/aps.60.066601
[20]	王丽莉, 万明杰, 马江将, 蒋刚. U1-xPuxO2热膨胀性质分子动力学模拟研究. 物理学报, 2014, 63(8): 083103. doi: 10.7498/aps.63.083103

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UO2 晶体中低密勒指数晶面表面能的分子动力学模拟

1. 中国核动力研究设计院, 反应堆燃料及材料重点实验室, 成都 610041

基金项目:

国家自然科学基金(批准号: 11205146)资助的课题.

收稿日期: 2012-10-30

修回日期: 2013-01-22

刊出日期: 2013-05-20

摘要: 采用基于刚性离子势的分子动力学模拟方法初步计算了UO2晶体中(100), (110)和(111) 3种低密勒指数晶面在300–1500 K范围内的表面能大小. 结果表明, 3种晶面的表面能大小随温度的升高而降低, 与实验结果趋势一致; 原子排列最紧密的(111)晶面具有最低的表面能, 3种晶面的表面能大小从高到低依次为(100), (110)和(111)晶面; 达到平衡状态下的表面层原子相对于体内原子层在表面的法线方向上发生了明显的压缩并且表面层原子的对称性也降低了, 表面原子的弛豫效应一直影响到了第5层. 计算研究结果将有助于深入认识UO2燃料中裂变气体气泡的聚集长大以及燃料的辐照肿胀开裂行为.

关键词:

Molecular dynamics simulation of surface energy of low miller index surfaces in UO2

1.
National Key Laboratory for Nuclear Fuel and Materials, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China

Fund Project:

Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11205146).

Received Date: 30 October 2012

Accepted Date: 22 January 2013

Published Online: 20 May 2013

Abstract: Molecular dynamics simulation based on the rigid-ion potential is carried out to investigate the surface energies of low miller index crystallographic faces such as (100), (110) and (111) in UO2 in a temperature range of 300 K-1500 K. The results indicate that the surface energies of the three low miller index crystallographic faces decline gradually with temperature rising, and the variation of the surface energy with temperature is confirmed to be consistent with the experimental data. The (111) crystallographic face which is the closest surface has the lowest surface energy; the (100) crystallographic face has the biggest surface energy; the (100) crystallographic face has a surface energy in between them. The surface atoms have compressed towards the vertical line of surface with respect to the inside atoms layer obviously. The symmetry of surface atoms declines. Surface phenomena such as relaxation and reconstruction occur on the surface atoms and the relaxation effect extends to the five layers. The results presented in the study are useful for understanding the behaviors of fission gas bubbles growing up and cracking up due to the swelling in fuels under the irradiation.

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