钒掺杂对U2Mo结构与热力学性能的影响机制：第一性原理研究

为解决铀钼（U-Mo）合金与铝包壳界面扩散导致的核燃料性能退化问题，研究人员通过第一性原理计算系统研究了钒（V）掺杂对U2Mo结构稳定性、力学性能及热力学行为的影响。结果表明，V通过d-f轨道杂化增强键合强度，提高硬度和热稳定性，同时降低弹性各向异性，为设计高性能耐辐照核燃料提供了理论依据。

　　

在核能领域，铀基合金燃料是实现可控链式裂变反应的核心材料。其中，铀钼（U-Mo）合金因其优异的辐照稳定性和中子经济性，成为快中子反应堆的理想燃料选择。然而，这类合金在实际应用中面临一个严峻挑战：与铝包壳材料之间的界面扩散反应会生成性能低劣的金属间化合物，严重影响燃料元件的安全性和使用寿命。

为突破这一技术瓶颈，研究人员聚焦于过渡金属掺杂的调控策略。已有研究表明，钒（V）元素在Fe₃Al等体系中能通过强轨道杂化提升材料性能，但其在U-Mo体系中的作用机制尚不明确。特别是V掺杂如何影响U₂Mo的微观结构演变、力学响应和高温热力学行为，亟待从原子尺度揭示其内在规律。

基于此，研究人员采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，系统构建了不同V掺杂比例的U-Mo-V三元模型。通过维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行结构优化和性能计算，设置650 eV的平面波截断能和13×13×13 k点网格。研究重点考察了掺杂体系的形成能、声子谱、电子态密度、弹性常数等参数，并利用准谐德拜模型预测高温热力学性质。

结构参数
通过Birch-Murnaghan状态方程拟合发现，V掺杂使U₂Mo晶胞体积收缩，平衡态体积V₀随V含量增加呈线性下降趋势。声子谱分析证实所有掺杂构型均满足动力学稳定性，且V原子通过增强U-d与Mo-f轨道杂化显著提升结合能，最高达4.78 eV/atom。

电子结构
差分电荷密度显示V引入后U-Mo键合区域电子密度增加，共价性增强。态密度分析揭示V-3d轨道在费米能级附近形成新的杂化峰，有效调控了费米面处电子态分布，这是体系稳定性提升的电子结构根源。

力学性能
弹性常数计算表明，V掺杂使体模量B提升18.7%，剪切模量G增加22.3%，但泊松比ν降低0.12，证实材料在获得更高硬度的同时牺牲了部分延展性。各向异性指数AU从2.01降至1.43，显示V有助于缓解U₂Mo的力学各向异性。

热力学性质
高温模拟显示，含V体系的热膨胀系数α比纯U₂Mo低9.3%，且Gibbs自由能ΔG随温度升高呈更平缓的变化趋势。在1200 K时，V掺杂使热容C_p提升14.2%，表明其具有更好的热管理能力。

该研究首次从原子尺度阐明了V掺杂调控U₂Mo性能的多尺度机制：通过d-f轨道杂化重构电子结构，增强化学键合强度；通过晶格畸变诱发固溶强化，优化力学响应；通过声子谱软化抑制高温原子扩散，提升热稳定性。这些发现不仅为理解过渡金属掺杂效应提供了理论范式，更为设计新一代耐辐照、低肿胀的先进核燃料指明了材料基因工程路径。

研究结论特别指出，V掺杂浓度存在最优窗口（~6 at%），此时体系可兼顾结构稳定性与力学性能的平衡。这一成果发表在《Materials Science and Engineering: B》上，为后续开展U-Mo-V三元合金的实验制备与辐照性能测试奠定了重要理论基础。