مطالعۀ خواص ساختاری، دینامیکی و حرارتی سوخت هسته‌ای مونو نیترید توریم با استفاده از محاسبات اصول اولیه

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 داده‌های تجربی موجود مقایسه می‌شوند که هم‌خوانی رضایت‌بخشی مشاهد می‌گردد. نمودارهای طیف فونونی و چگالی حالت‌های ارتعاشی در امتداد مسیرهای پرتقارن به وسیلۀ نظریۀ اختلالی تابعی چگالی محاسبه می‌شوند. تحلیل منحنی پاشندگی فونونی نشان می‌دهد که هیچ بسامد موهومی یافت نمی‌شود که بیان می‌کند ساختار بلوری در تعادل دینامیکی است. هم‌چنین، مشاهد می‌شود 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 می‌شوند. نتایج نشان می‌دهند که حجم سامانه در یک دمای ثابت با افزایش فشار کاهش می‌یابد در حالی که برای تمام فشارها، هنگامی که دما افزایش پیدا می‌کند، افزایش می‌یابد. ضریب انبساط گرمایی، با افزایش دما در یک فشار ثابت، افزایش پیدا می‌کند که بیانگر افزایش انتقال حرارت در شبکه بلوری است.

study on structural, dynamical, and thermal properties of nuclear fuel thorium mononitride using first-principles calculations

this paper explores the vibrational, thermophysical, and structural properties of thorium nitride using density functional theory. an agreement is observed between the calculated and experimental properties of the lattice constant and bulk modulus. in the density functional perturbation theory, diagrams of phonon spectrums and vibrational densities of states along high symmetry paths are calculated. based on the phonon dispersion diagram, no imaginary frequencies are found, indicating that the crystalline structure is dynamically stable. the compound also exhibits a phonon gap in the range 154-300 cm-1. under high temperature and pressure, quasi-harmonic debye models are used to evaluate thermodynamic properties such as debye temperature, thermal expansion coefficient, entropy isothermal bulk modulus, and vibrational specific heat capacity. as the temperature increases, the volume of the system at a constant pressure decreases, while it increases for all pressures at a constant temperature. as temperature increases at a constant pressure, the coefficient of thermal expansion increases, indicating that the crystalline lattice is transferring more heat.