氮化铀与碳化铀中的对称倾转晶界

《Scientific Reports》：Symmetric tilt grain boundaries in uranium nitride and uranium carbide

　　

将氮化铀（UN）作为核燃料开发需要对其微观结构有深入理解。研究人员在此基于密度泛函理论（DFT）对UN和UC中一组14个对称倾转晶界（GBs）开展了研究。在该集合中，对UN和UC而言，Σ03 (111)[\(\bar{1}\)10]均为最稳定的晶界。研究人员获得了晶界倾角、过剩体积与能量等性质之间的关联。对两种材料，晶界能在70°倾角处存在全局最小值。倾角对晶界能的曲线在0°处自然收敛于已发表的UN堆垛层错能（SFE），利用该方法研究人员获得了UC的堆垛层错能。对UN，晶界过剩体积与晶界能的关联很强，为单值抛物线型，表明过剩体积是该材料晶界能的良好预测量；对UC，相应关联具中等预测能力。类似于已知岩盐结构的MgO，该组晶界可较好描述接近平衡态微观结构中UN和UC的重位点阵晶界。

研究背景方面，UN因具备比UO₂更高的裂变效率、更高熔点、更好事故容限及与PUREX后处理兼容等优势，被视为未来反应堆候选燃料；而燃料微观结构决定裂变产物扩散、力学稳定性与腐蚀等行为，其中晶界（GB）分布主导微观结构。目前对岩盐结构的UN和UC尚缺乏基于量子力学的晶界能及原子结构细致分析。为此，研究人员以MgO等岩盐结构材料的重合位置点阵（CSL）对称倾转晶界为参照，构建UN和UC各14个CSL对称倾转晶界模型，采用静态密度泛函理论（DFT）计算其结构与能量，并辅以从头算分子动力学（AIMD）验证有限温度稳定性，结合Laguerre-Voronoi空间镶嵌法提取局部几何描述符，系统建立晶界能（γ_GB）、过剩体积（δV）与倾角关系，并拓展Read-Shockley模型至大角晶界以由γ_GB(θ)二次函数截距推算堆垛层错能（SFE）。该文发表于《Scientific Reports》。

关键技术方法上，研究人员使用VASP 6.4.2程序，采用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交换关联泛函与投影缀加波（PAW）赝势，平面波截断能520 eV，自旋轨道耦合在非共线框架处理，k点网格Monkhorst-Pack采样；晶界能按γ_GB=(E_GB-E_bulk)/2A定义；AIMD在NVT系综下以Nosé-Hoover控温，298 K与1700 K两温度点平衡后取样；结构分析用Laguerre-Voronoi镶嵌求U位体积膨胀V_x及总过剩体积δV；CSL晶界模型沿用MgO基准集，倾角跨度覆盖低角至70.53°拐点的对称倾转族。

研究结果部分，Bulk UN and UC小节中，研究人员对比PBE、PBE0、HSE06及DFT+U（U_eff=1.9 eV，J=0.1 eV）对体相磁态与晶格参数的预测，发现PBE给出的U原子磁矩与实验吻合更好，AFM与FM能量差仅0.0243 eV/化学计量单元，且晶格参数偏离实验极小，故选定PBE研究晶界。Symmetric tilt grain boundaries in UN and UC小节中，静态DFT优化显示Σ03 (111)[\(\bar{1}\)10]在UN与UC中γ_GB最低（UN约1436 mJ/m²非磁PBE值），AIMD证实该晶界在298 K与1700 K均无重构、自由能波动平稳，UC的声子贡献使γ_{GB_AIMD}随温升变化略大于UN。Correlation between GB tilt angle and GB energy, and relation with the stacking fault energy小节中，研究人员将γ_GB对倾角θ作二次拟合γ_GB=aθ²+bθ+γ₀，θ→0截距等价于SFE；以fcc Al文献数据校验得截距0.139 J/m²与已知Al的SFE（0.124–0.166 J/m²）一致，同理推得UN与UC的SFE，其中UN结果与已有计算吻合。Structural analyses小节中，Laguerre-Voronoi显示UN的δV与γ_GB呈强单值抛物线关联，UC为中等预测力，不同于fcc Cu/Al需局域对称参量辅助预测。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出：对UN和UC，Σ03 (111)[\(\bar{1}\)10]是CSL对称倾转晶界中最稳定者，近平衡微观结构中将最常出现；γ_GB在70°附近取全局最小，θ→0二次外推可获SFE，此法补出了UC无文献值的SFE；UN的δV单值预测γ_GB能力强，UC次之；岩盐结构使UN/UC晶界行为类比MgO，该14个晶界集可代表实际材料近平衡晶界谱。上述结论为UN燃料晶粒生长模拟、裂变产物偏析及晶界工程提供了第一性原理基准参量。