نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• امید اخوان ¹
• محمد حسین صحافی ²

¹ عضو هیئت علمی

² پسا دکتری

چکیده

در این مقاله، خواص ارتعاشی، ترموفیزیکی و ساختاری ترکیب نیترید توریم با استفاده از نظریۀ تابعی چگالی در چارچوب محاسبات اصول اولیه مورد بررسی قرار گرفتند. خواص ساختاری شامل ثابت شبکه، مدول حجمی و مشتق مرتبۀ اول مدول حجمی محاسبه و با داده های تجربی موجود مقایسه می شوند که همخوانی رضایت بخشی مشاهد می گردد. نمودارهای طیف فونونی و چگالی حالت های ارتعاشی در امتداد مسیر های پر تقارن به وسیلۀ نظریۀ اختلالی تابعی چگالی محاسبه می شوند. تحلیل منحنی پاشندگی فونونی نشان می دهدکه هیچ بسامد موهومی یافت نمی شود که بیان می کند ساختار بلوری در تعادل دینامیکی است. هم چنین، مشاهد می شود که یک گپ فونونی در فاصله 1-cm 154-300 برای این ترکیب وجود دارد. خواص ترمودینامیکی شامل دمای دبای، ضریب انبساط گرمایی، آنتروپی، مدول حجمی همدما و ظرفیت گرمایی ویژۀ ارتعاشی توسط مدل شبه هماهنگ دبای تحت دما و فشار بالا ارزیابی می شوند. نتایج نشان می دهند که حجم سامانه در یک دمای ثابت با افزایش فشار کاهش می یابد در حالی که برای تمام فشار ها، هنگامی که دما افزایش پیدا می کند، افزایش می یابد. ضریب انبساط گرمایی، با افزایش دما در یک فشار ثابت، افزایش پیدا می کند که بیانگر افزایش انتقال حرارت در شبکه بلوری است.

کلیدواژه‌ها

• رآکتور هسته ای
• سوخت توریمی
• نظریۀ تابعی چگالی
• خواص ترمودینامیکی
• پاشندگی فونونی

موضوعات

• چرخه سوخت هسته‌ای و مواد سوختی

عنوان مقاله [English]

Study on Structural, Dynamical and Thermal Properties of Nuclear Fuel Thorium Mononitride Using First-Principles Calculations

نویسندگان [English]

• Omid Akhavan ¹
• Mohammad Hossein Sahafi ²

¹ professor

² Postdoc

چکیده [English]

In this paper, the vibrational, thermophysical and structural properties of thorium nitride compound are investigated using density functional theory in the framework of first principles calculations. The structural properties including the lattice constant, bulk modulus and the first order derivative of the bulk modulus are calculated and compared with the available experimental data, and a satisfactory agreement is observed. The diagrams of phonon spectrum and the vibrational density of states along high symmetry paths are calculated by the density functional perturbation theory. The analysis of phonon dispersion diagram shows that no imaginary frequencies are found, which indicates the crystalline structure is in dynamical stability. Also, it is observed that there is a phonon gap in the 154-300 cm-1 for this compound. Thermodynamic properties including, Debye temperature, thermal expansion coefficient, entropy isothermal bulk modulus and vibrational specific heat capacity are evaluated by quasi-harmonic Debye model under high temperature and pressure. The results shows that the volume of the system at a constant temperature decreases with increasing pressure, while it increases for all pressures when the temperature increases. The coefficient of thermal expansion increases with the increase of temperature at a constant pressure, which indicates the increasing of heat transfer in the crystalline lattice.

کلیدواژه‌ها [English]

• Nuclear Reactor
• Thorium Based-Fuel
• Density Functional Theory
• Thermodynamic Properties
• Phonon Dispersion