非化学计量钍基碳化物局部晶格畸变与热力学性质研究

背景：随着电力需求增加和铀资源枯竭，开发新型核燃料至关重要。钍基碳化物（ThC）因其高热性、耐辐射性和宽化学计量范围，被视为第四代反应堆和钍基熔盐堆的候选燃料材料。在实际反应堆环境中，燃料因辐射损伤会形成非化学计量相ThC1-x，其碳空位浓度会影响结构稳定性及机械性能。研究目的：本研究旨在揭示碳空位浓度对ThC1-x的结构、电子性质及热力学性质的影响。结论：研究发现，随着碳空位浓度增加，ThC1-x的晶格常数减小并发生畸变，体积收缩；当碳空位浓度x>0.25时，结构由立方相转变为四方相。碳空位浓度的增加还导致弹性常数、体积模量、剪切模量和杨氏模量线性降低，过度缺碳会使材料从韧性转为脆性。此外，碳空位高浓度（x≥0.125）会显著提升热膨胀系数。这些结果可用于分析反应堆燃烧过程中ThC燃料的稳定性，所述方法也可拓展至其他钍基核燃料的安全性和稳定性分析。