U-He 合金在高压下的结构与热力学性质的理论研究

铀因其巨大的能量释放，被认为是一种非常重要的核能材料。铀的自发衰变产物锂难以与铀发生化学反应 due to its 化学惰性。因此，锂会在铀内部形成气泡，这可能会显著降低铀的性能或导致安全问题。此外，核材料通常在高温高压的环境中运行，因此有必要在极端条件下确定锂在铀中的确切状态。本研究利用密度泛函理论计算探索了 U-He 系统在高压高温下的结构稳定性。发现两个亚稳定相存在于 50-400 GPa 范围内：U4He 采用 Fmmm 空间群和 U6He 采用 P-1 空间群。两种都为金属性并采用层状结构。电子局域化函数计算结合电荷密度差分析表明，Fmmm-U4He 和 P-1-U6He 中 U 与 U 原子之间存在共价键。与 ${\alpha}$-U 的弹性模量相比，锂的添加对铀的机械性能有一定影响。此外，开展了第一性原理分子动力学模拟，以研究 Fmmm-U4He 和 P-1-U6He 在高温下的动力学行为。发现 Fmmm-U4He 和 P-1-U6He 在 150 GPa 下发生一种一维超导相变。我们的研究揭示了超出气泡形式的 U-He 合金的特殊结构，这可能与极端条件下核材料的性能和安全性问题相关。