بررسي خواص فونوني و رفتار حرارتي بلور UO2 با استفاده از نظريه تابعي چگالي و نظريه اختلال تابعي چگالي

درك رفتار حرارتي و فرايندهاي مرتبط با انتقال حرارت در سوخت هسته‌اي UO2 در راكتور هسته‌اي اهميت بسياري در پيش‌بيني كارايي سوخت دارد. اگر انتقال حرارت، كه يك پارامتر مهم در توزيع دما در سوخت هسته‌اي است، به خوبي صورت نگيرد، باعث بالا رفتن دما در سوخت شده و منجر به ذوب آن مي‌شود كه حوادث زيست محيطي را در پي خواهد داشت. در اين پژوهش، با توصيف ساده حالت پارامغناطيس توسط محاسبات غير اسپين قطبيده، و صرف‌نظر كردن از اعمال تصحيح هابارد، خواص حرارتي و فونوني بلور UO2 محاسبه شده است. اين محاسبات مبتني بر روش‌هاي نظريه تابعي چگالي (DFT) و نظريه اختلال تابعي چگالي (DFPT) است. در تعيين خواص ارتعاشات شبكه با استفاده از روش جابه‌جايي محدود، ثابت‌هاي نيروي مرتبه دوم و مرتبه سوم را به دست آورده و با استفاده از آنها كميت‌هايي مانند گرماي ويژه در حجم ثابت، پارامتر گرونايزن، نرخ پراكندگي سه فونوني، نرخ پراكندگي ناشي از درصدهاي ايزوتوپي مختلف و در نهايت رسانش حرارتي انباشته را براي درصدهاي ايزوتوپي مختلف محاسبه كرده‌ايم. نتايج نشان داد كه گرماي ويژه محاسبه شده در تقريب هارمونيك تطابق خوبي با تجربه، به ويژه در دماهاي زير 400 كلوين، دارد. نتايج مربوط به نرخ پراكندگي سه فونوني به ازاي دماهاي مختلف نشان داد كه افزايش دما باعث افزايش نرخ پراكندگي و در نتيجه كاهش رسانش حرارتي مي‌شود. نتايج همچنين نشان داد كه وجود ناخالصي ناشي از درصدهاي ايزوتوپي مختلف تأثير محسوسي در نرخ پراكندگي ندارد.