بررسی خواص فونونی و رفتار حرارتی بلور uo2 با استفاده از نظریه تابعی چگالی و نظریه اختلال تابعی چگالی

درک رفتار حرارتی و فرایندهای مرتبط با انتقال حرارت در سوخت هسته‌ای uo2 در راکتور هسته‌ای اهمیت بسیاری در پیش‌بینی کارایی سوخت دارد. اگر انتقال حرارت، که یک پارامتر مهم در توزیع دما در سوخت هسته‌ای است، به خوبی صورت نگیرد، باعث بالا رفتن دما در سوخت شده و منجر به ذوب آن می‌شود که حوادث زیست محیطی را در پی خواهد داشت. در این پژوهش، با توصیف ساده حالت پارامغناطیس توسط محاسبات غیر اسپین قطبیده، و صرف‌نظر کردن از اعمال تصحیح هابارد، خواص حرارتی و فونونی بلور uo2 محاسبه شده است. این محاسبات مبتنی بر روش‌های نظریه تابعی چگالی (dft) و نظریه اختلال تابعی چگالی (dfpt) است. در تعیین خواص ارتعاشات شبکه با استفاده از روش جابه‌جایی محدود، ثابت‌های نیروی مرتبه دوم و مرتبه سوم را به دست آورده و با استفاده از آنها کمیت‌هایی مانند گرمای ویژه در حجم ثابت، پارامتر گرونایزن، نرخ پراکندگی سه فونونی، نرخ پراکندگی ناشی از درصدهای ایزوتوپی مختلف و در نهایت رسانش حرارتی انباشته را برای درصدهای ایزوتوپی مختلف محاسبه کرده‌ایم. نتایج نشان داد که گرمای ویژه محاسبه شده در تقریب هارمونیک تطابق خوبی با تجربه، به ویژه در دماهای زیر 400 کلوین، دارد. نتایج مربوط به نرخ پراکندگی سه فونونی به ازای دماهای مختلف نشان داد که افزایش دما باعث افزایش نرخ پراکندگی و در نتیجه کاهش رسانش حرارتی می‌شود. نتایج همچنین نشان داد که وجود ناخالصی ناشی از درصدهای ایزوتوپی مختلف تاثیر محسوسی در نرخ پراکندگی ندارد.

Investigation of phonon properties and thermal behavior of UO2 crystal using densityfunctional theory

Understanding thermal behavior and processes underlying the heat transport of UO2 nuclear fuel in nuclear reactor plays a key role in predicting the efficiency of the fuel. If the heat transport, which is an important parameter in temperature distribution of the fuel, does not occur properly, the continuous increase of temperature would lead to the melting of the fuel and therefore, environmental hazards. In this work, by using a nonspinpolarized calculation for the simple description of the paramagnetic state and ignoring the Hubbard correction, the thermal properties and phonon properties of bulk UO2 are calculated. These calculations are based on the densityfunctional theory (DFT) and densityfunctional perturbation theory (DFPT). To determine the latticevibration properties by the finitedisplacement method, we have calculated the secondorder and thirdorder force constants based on which such quantities as  constantvolume specific heat, Gruneisen parameter, threephonon scattering rate, scattering rate due to different levels of isotopic enrichment, and cumulative thermal conductivity are calculated. The results of the calculated specific heat based on the harmonic approximation show a good agreement with the experimental values, specifically for temperatures lower than 400 Kelvin. The results obtained for threephonon scattering rate reveal that the scattering rate increases with temperature, thereby leading to the decrease of thermal conductivity. The results related to different levels of isotopic enrichments do not show any sensible changes in the scattering rates.