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氮化铀热中子截面的第一性原理计算

王立鹏 江新标 吴宏春 樊慧庆

氮化铀热中子截面的第一性原理计算

王立鹏, 江新标, 吴宏春, 樊慧庆
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  • 氮化铀(UN)因其较好的热物性和耐事故容错性成为先进动力堆的候选燃料,但目前热能区缺少可靠的UN热中子截面数据,这对于热中子反应堆物理计算是很不利的.本文基于量子力学的第一性原理,利用VASP/PHONON软件模拟计算了UN的声子态密度,以此为积分得到UN的定容比热容,并基于新制作的声子态密度,采用核截面处理程序NJOY/LEAPR,利用热中子散射理论,得到UN的S(,)数据,进而研究UN的热中子散射截面,并与传统压水堆的二氧化铀(UO2)进行对比.结果表明:优化的晶格参数与数据库符合较好,UN声子态密度的声子项和光子项较UO2的分隔更加明显,定容比热容计算结果与实验值一致,基于该声子态密度计算得到的UN中238U的非弹性散射和弹性散射截面比相同温度下UO2中238U小,UN中N仅考虑了非相干散射部分,随着温度升高,UN弹性散射截面变小,非弹性散射变大,并在高能段趋于自由核散射截面.本文的研究结果填补了UN热中子截面数据的缺失,为下一步系统研究UN燃料在轻水堆中的中子学性能奠定了基础.
      通信作者: 王立鹏, wang0214@126.com
    [1]

    [1] Choi J, Ebbinghaus B, Meier T 2006 UCRL-TR-218931 (Lawrence Livermore National Laboratory)
    [2] Zakova J, Wallenius J 2012 Ann. Nucl. Energy 47 182
    [3] Hawari A I 2014 Nucl. Data Sheets 118 172
    [4] Wang L P, Jiang X B, Zhao Z M, Chen L X 2013 Nucl. Eng. Des. 262 365
    [5] Wang L P, Jiang X B, Zhao Z M, Chen L X 2015 Proceedings of the 23 th International Conference on Nuclear Engineering Chiba, Japan, May 17-21, 2015 ICONE23-TP046
    [6] X-5 Monte Carlo Team 2003 LA-03-1987-M (Los Alamos National Laboratory)
    [7] Brown D A, Chadwick M B, Capote R, et al. 2018 Nucl. Data Sheets 148 1
    [8] Zhu Y W, Hawari A I 2015 Proceedings of International Conference on Nuclear Criticality Safety Charlotte, North Carolina, September 13-17, 2015 p874
    [9] Zhu Y W, Hawari A I 2018 Proceedings of the PHYSOR 2018 Cancun, Mexico, April 22-26, 2018
    [10] Macfarlane R E, Muir D W 1994 LA-12470-M (Los Alamos National Laboratory)
    [11] Macfarlane R E, Muir D W 2012 LA-UR-12-27079 (Los Alamos National Laboratory)
    [12] Bell G I, Gasstone S (translated by Qian Li) 1970 Nuclear Reactor Theory (Beijing: Science Press) pp235-243 (in Chinese)[贝尔 G I, 格拉斯 S 著 (千里译) 1970 核反应堆理论 (北京: 原子能出版社)第235–243页]
    [13] Xie Z S, Yin B H 2004 Nuclear Reactor Physics Analysis (Beijing: Atom Press) p120 (in Chinese)[谢仲生, 尹邦华 2004 核反应堆物理分析 (北京: 原子能出版社) 第120页]
    [14] Mclane V 2009 BNL-NCS-44945-01/03-Rev (Brookhaven National Laboratory)
    [15] Mattes M, Keinert J 2005 INDC(NDS)-0470 (International Nuclear Data Committee)
    [16] MedeA_221 2017 Materials Design Inc., Angel Fire, NM, USA.
    [17] Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865
    [18] Sears V F 1992 International Tables for Crystallography (Vol. C) Mathematical, Physical and Chemical Tables (Dordrecht: Kluwer Academic Publishers)
    [19] Koppel J U, Houston D H 1968 GA-8774 Revised (U. S. Atomic Energy Commission)
    [20] Kurosaki K, Yano K, Yamada K 2000 J. Alloys Compd. 297 1
    [21] Hayes S L, Thomas J K, Peddicord K L 1990 J. Nucl. Mater. 171 262

  • [1]

    [1] Choi J, Ebbinghaus B, Meier T 2006 UCRL-TR-218931 (Lawrence Livermore National Laboratory)
    [2] Zakova J, Wallenius J 2012 Ann. Nucl. Energy 47 182
    [3] Hawari A I 2014 Nucl. Data Sheets 118 172
    [4] Wang L P, Jiang X B, Zhao Z M, Chen L X 2013 Nucl. Eng. Des. 262 365
    [5] Wang L P, Jiang X B, Zhao Z M, Chen L X 2015 Proceedings of the 23 th International Conference on Nuclear Engineering Chiba, Japan, May 17-21, 2015 ICONE23-TP046
    [6] X-5 Monte Carlo Team 2003 LA-03-1987-M (Los Alamos National Laboratory)
    [7] Brown D A, Chadwick M B, Capote R, et al. 2018 Nucl. Data Sheets 148 1
    [8] Zhu Y W, Hawari A I 2015 Proceedings of International Conference on Nuclear Criticality Safety Charlotte, North Carolina, September 13-17, 2015 p874
    [9] Zhu Y W, Hawari A I 2018 Proceedings of the PHYSOR 2018 Cancun, Mexico, April 22-26, 2018
    [10] Macfarlane R E, Muir D W 1994 LA-12470-M (Los Alamos National Laboratory)
    [11] Macfarlane R E, Muir D W 2012 LA-UR-12-27079 (Los Alamos National Laboratory)
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    [13] Xie Z S, Yin B H 2004 Nuclear Reactor Physics Analysis (Beijing: Atom Press) p120 (in Chinese)[谢仲生, 尹邦华 2004 核反应堆物理分析 (北京: 原子能出版社) 第120页]
    [14] Mclane V 2009 BNL-NCS-44945-01/03-Rev (Brookhaven National Laboratory)
    [15] Mattes M, Keinert J 2005 INDC(NDS)-0470 (International Nuclear Data Committee)
    [16] MedeA_221 2017 Materials Design Inc., Angel Fire, NM, USA.
    [17] Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865
    [18] Sears V F 1992 International Tables for Crystallography (Vol. C) Mathematical, Physical and Chemical Tables (Dordrecht: Kluwer Academic Publishers)
    [19] Koppel J U, Houston D H 1968 GA-8774 Revised (U. S. Atomic Energy Commission)
    [20] Kurosaki K, Yano K, Yamada K 2000 J. Alloys Compd. 297 1
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  • [1] 蒋文灿, 陈华, 张伟斌. TATB晶体声子谱及比热容的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(12): 126301. doi: 10.7498/aps.65.126301
    [2] 严顺涛, 姜振益. Cu掺杂对TiNi合金马氏体相变路径影响的第一性原理研究. 物理学报, 2017, 66(13): 130501. doi: 10.7498/aps.66.130501
    [3] 李细莲, 刘刚, 杜桃园, 赵晶, 吴木生, 欧阳楚英, 徐波. 应力对硅烯上锂吸附的影响. 物理学报, 2014, 63(21): 217101. doi: 10.7498/aps.63.217101
    [4] 周大伟, 卢成, 李根全, 宋金璠, 宋玉玲, 包刚. 高压下金属Ba的结构稳定性以及热动力学的第一原理研究. 物理学报, 2012, 61(14): 146301. doi: 10.7498/aps.61.146301
    [5] 丁少锋, 范广涵, 李述体, 肖 冰. 氮化铟p型掺杂的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(7): 4062-4067. doi: 10.7498/aps.56.4062
    [6] 李宇波, 王骁, 戴庭舸, 袁广中, 杨杭生. 第一性原理计算研究立方氮化硼空位的电学和光学特性. 物理学报, 2013, 62(7): 074201. doi: 10.7498/aps.62.074201
    [7] 肖 杨, 颜晓红, 曹觉先, 丁建文. 单壁纳米碳管的声子谱研究. 物理学报, 2003, 52(7): 1720-1725. doi: 10.7498/aps.52.1720
    [8] 孙伟峰, 李美成, 赵连城. Ga和Sb纳米线声子结构和电子-声子相互作用的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(10): 7291-7297. doi: 10.7498/aps.59.7291
    [9] 李 泌. 铁的原子间相互作用及声子谱. 物理学报, 2000, 49(9): 1692-1695. doi: 10.7498/aps.49.1692
    [10] 朱玥, 李永成, 王福合. Li掺杂对MgH2(001)表面H2分子扩散释放影响的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(5): 056801. doi: 10.7498/aps.65.056801
    [11] 许红斌, 王渊旭. 过渡金属Tc及其氮化物TcN,TcN2,TcN3与TcN4低压缩性的第一性原理计算研究. 物理学报, 2009, 58(8): 5645-5652. doi: 10.7498/aps.58.5645
    [12] 金宝, 蔡军, 陈义学. 放射性核素铀在针铁矿中的占位研究. 物理学报, 2013, 62(8): 087101. doi: 10.7498/aps.62.087101
    [13] 刘常升, 李永华, 朱建新, 郑伟涛, 王煜明, 孟繁玲. NiTi合金的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(11): 7204-7209. doi: 10.7498/aps.57.7204
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    [17] 姚红英, 顾 晓, 季 敏, 张笛儿, 龚新高. SiO2-羟基表面上金属原子的第一性原理研究. 物理学报, 2006, 55(11): 6042-6046. doi: 10.7498/aps.55.6042
    [18] 彭丽萍, 尹建武, 徐 凌. N掺杂锐钛矿TiO2光学性能的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(3): 1585-1589. doi: 10.7498/aps.56.1585
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    [20] 张金奎, 邓胜华, 金 慧, 刘悦林. ZnO电子结构和p型传导特性的第一性原理研究. 物理学报, 2007, 56(9): 5371-5375. doi: 10.7498/aps.56.5371
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-26
  • 修回日期:  2018-07-30
  • 刊出日期:  2018-10-20

氮化铀热中子截面的第一性原理计算

  • 1. 1. 西安交通大学核科学与技术学院, 西安 710049;
  • 2. 2. 西北核技术研究所, 西安 710024;
  • 3. 3. 西北工业大学材料学院, 西安 710072
  • 通信作者: 王立鹏, wang0214@126.com

摘要: 氮化铀(UN)因其较好的热物性和耐事故容错性成为先进动力堆的候选燃料,但目前热能区缺少可靠的UN热中子截面数据,这对于热中子反应堆物理计算是很不利的.本文基于量子力学的第一性原理,利用VASP/PHONON软件模拟计算了UN的声子态密度,以此为积分得到UN的定容比热容,并基于新制作的声子态密度,采用核截面处理程序NJOY/LEAPR,利用热中子散射理论,得到UN的S(,)数据,进而研究UN的热中子散射截面,并与传统压水堆的二氧化铀(UO2)进行对比.结果表明:优化的晶格参数与数据库符合较好,UN声子态密度的声子项和光子项较UO2的分隔更加明显,定容比热容计算结果与实验值一致,基于该声子态密度计算得到的UN中238U的非弹性散射和弹性散射截面比相同温度下UO2中238U小,UN中N仅考虑了非相干散射部分,随着温度升高,UN弹性散射截面变小,非弹性散射变大,并在高能段趋于自由核散射截面.本文的研究结果填补了UN热中子截面数据的缺失,为下一步系统研究UN燃料在轻水堆中的中子学性能奠定了基础.

English Abstract

参考文献 (1)

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