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金属铀表面与小分子的相互作用机理一直是核能材料工作者们的研究重点,本文采用量子力学方法,研究了金属铀晶体以及其表面的性质,探究了金属铀alpha晶相的晶体结构、弹性常数、体模量、电子能带结构等性质;还研究了七个alpha铀的低指数晶体表面的性质,研究了几种常见小分子气体在金属铀表面的吸附与分解,分析了在吸附过程中的几何结构变化、吸附能和小分子分解路径等特征。揭示了小分子气体在金属铀表面的反应机理。主要研究内容如下:1.金属镁和金属铀表面性质的密度泛函理论研究使用密度泛函方法(DFT)计算了七种不同金属镁表面(Mg(100),Mg(010),Mg(001),Mg(110),Mg(101),Mg(011)和Mg(111))的一系列性质。分析了它们的态密度以及这七种表面的稳定性。结果表明:镁的表面能在0.4610到1.0940 J/m2范围间。表面能计算值与实验测试结果一致。此外,表面能越低,对应的态密度分布越分散(即在Fermi能级附近更多和更低的态密度峰)。采用DFT计算研究了金属铀alpha晶相的晶体结构、弹性常数、体模量、电子能带结构等一系列性质,与实验结果进行了对比和分析。同时,采用基于第一性原理的GGA方法对alpha-铀及其七个低指数晶面的性质进行了预测。研究结果表明,当表面层数低于九层时,表面层数对铀表面性质有较大影响。但当表面层数超过9层以后,表面层数对表面性质的影响就微乎其微了。计算求得铀的七个低指数晶面的表面能值为1.756-2.151 J/m2.通过对PDOS(分态密度)分析,发现5f-6d轨道之间的杂化对铀的表面能有很大影响。2.H2分子和H原子在α-U(001)表面吸附的密度泛函理论研究计算研究H2分子和H原子在α-U(001)表面的吸附反应。对于H2-U(001)吸附体系,顶位H2-U(001)吸附体系的吸附能在-0.666 eV左右,并且H2分子在吸附过程中并不发生分解。而其余三个吸附位点(长桥位、短桥位和三角中心位)的H2-U(001)吸附能值的范围在-1.521 eV左右,并且在吸附过程中H2分子发生分解。长桥位(long-bridge site)是最容易发生H2分子吸附的位置。H-U(001)吸附体系的吸附能在-2.904 eV左右,并且顶位和短桥位最容易发生H原子吸附。不同吸附位点对α-U(001)表面的氢化过程有重大影响。H2-U(001)吸附体系和H-U(001)吸附体系几何构型变化、原子转移路径和PDOS均在本文中给出了详细的分析。3.O2分子和O原子在α-U(001)表面吸附的密度泛函理论研究计算研究O2分子和O原子在α-U(001)表面和次表层的吸附反应。结果表明长桥位是最容易发生O2分子和O原子吸附的表层吸附位点。四面体中心位置(Tet)是最容易发生O原子在α-U(001)次表层的吸附的位点。对于O2-U(001)和O-U(001)吸附的PDOS分析结果表明,U原子和O原子轨道之间的杂化作用导致U原子的5f/6d轨道更加局域化,最终形成了半离子化的U-O化学键。对O原子吸附转移路径的分析表明,O原子在U表面可以非常容易的从hollow 1位点转移到hollow 2位点,并且不存在任何的能量障碍。而对于从表层位点转移到次表层位点的O原子转移则存在很大能量障碍,这类O原子吸附迁移很难发生。4.CO分子在α-U(001)表面吸附的密度泛函理论研究计算研究CO分子在α-U(001)表面吸附、解离和扩散。结果表明:CO分子以CU3OU2构型化学吸附在α-U(001)表面,吸附能范围为1.78-1.99 eV;吸附后表层U原子向上迁移,伴随褶皱产生;CO分子与表面U原子的相互作用,导致U原子的电荷向CO分子转移,以及CO分子的分子轨道发生杂化而生成新的化学键。CO的解离吸附较CO分子吸附在能量上更大,CO分子解离的吸附能范围为2.71-3.08 eV。临近三重穴位之间的C,O原子扩散能垒分别为0.57和0.14 eV,这表明O原子比C原子更容易在α-U(001)表面发生扩散迁移。5.H20分子在α-U(001)表面吸附的密度泛函理论研究计算研究水分子吸附在α-U(001)表面的过程。结果表明:铀原子的金属性以及α-U(001)表面铀原子的特殊结构导致了 H20分子在分解过程中的特殊现象。long-bridge位点是最容易发生水分子吸附反应的位置,而triangle-centre位点则是H2O分子分解后的H原子最容易吸附的位点。H20分子吸附在α-U(001)面的反应只发生在α-U(001)面,而不像O原子吸附过程会发生渗透反应。计算结果表明H2O分子吸附在α-U(001)面,且只脱除一个H原子的吸附能范围为-1.994至-2.215eV。H2O分子吸附在α-U(001)面,且脱除两个H原子的吸附能范围为-3.351至-3.394 eV。这个结果表明H2O分子的O-H键的断键反应比较容易发生,并且H20分子的O原子在oa-U(001)面的吸附反应可以促进H2O分子进一步脱除第二个H原子。