第一性原理计算揭示U3Si2中氙的溶解、聚集与扩散机制及其抗辐照肿胀性能

本研究针对事故容错燃料(ATF)候选材料U3Si2中裂变气体Xe行为机制不明的关键问题，通过第一性原理计算系统揭示了Xe在晶格缺陷中的优先占位特性、空位簇介导的聚集规律及显著各向异性扩散行为，阐明了其优异抗肿胀性能的原子尺度机理，为先进核燃料设计提供了理论支撑。

　　

在核能领域，事故容错燃料(ATF)的研发是提升反应堆安全性的重要突破口。传统UO₂燃料在高温下易发生裂变气体肿胀导致包壳破损，而U₃Si₂凭借其高热导率、高铀密度和抗肿胀特性成为明星候选材料。但令人困惑的是，实验观察到U₃Si₂能容纳6% FIMA（初始金属原子裂变率）的Xe却几乎不肿胀，这种反常现象背后的原子尺度机制始终成谜。贵州大学等机构的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究，通过第一性原理计算首次完整揭示了Xe在U₃Si₂中的"溶解-聚集-扩散"三部曲，解开了其抗肿胀性能的分子密码。

研究采用密度泛函理论(DFT)框架下的VASP软件包，构建2×2×2超胞模型（80原子），设置520 eV截断能和3×3×5 k点网格，引入Hubbard U校正5f电子关联效应。通过缺陷形成能计算、过渡态搜索和电子结构分析，系统考察了Xe在不同类型缺陷中的稳定性及迁移路径。

Structural properties of U₃Si₂
研究确认U₃Si₂为四方晶系（a=b=14.9 ?，c=8.0 ?），其U1-Si层通过Si-Si共价键和U1-Si离子键稳定，而U2层金属键特性显著。这种"三明治"结构导致Xe在间隙位溶解能高达7 eV，远高于空位缺陷（2-3 eV），迫使Xe优先占据U1或U2单空位。

Electronic analysis of U₃Si₂
电子结构分析显示，Xe-5p轨道与邻近U-5f轨道存在排斥作用，在单空位中形成局域化电子云。当Xe填充空位时，会引起周围U原子0.3-0.5 ?的晶格畸变，这种"空间抢占"效应是限制Xe溶解度的关键。

Highlights
研究揭示三大核心发现：①Xe在完整晶格中迁移能垒超过4 eV，扩散严重受限；②单空位仅能稳定容纳1-2个Xe原子，而二/三/四空位通过放热结合（-0.8至-1.5 eV）实现Xe高效聚集；③Xe气泡形成严格依赖预制缺陷，自发成核概率极低。这些发现完美解释了实验中观察到的"高Xe滞留-低肿胀"现象。

该研究首次建立了U₃Si₂抗肿胀性能的"缺陷介导"理论模型：裂变产生的Xe被预制缺陷捕获形成稳定团簇，而非自由迁移形成气泡。这一机制使其在保持高裂变气体包容性同时，有效抑制体积膨胀。研究不仅为ATF材料筛选提供了原子尺度设计准则，更开创了通过缺陷工程调控核燃料性能的新思路。正如通讯作者Xianli Ren强调的，后续可通过辐照预处理引入可控空位簇，进一步优化U₃Si₂的裂变气体管理能力。