Thermal conductivity of actinide compounds

Lukáš Kývala

Master's thesis

Abstract:

V posledních letech vzrůstá zájem o thorium z důvodu potenciálního využití jako nukleárního paliva reaktorů IV. generace. Z důvodu jeho vysoké radioaktivity je nicméně obtížné provádět experimenty. Teoretické práce jsou tedy vysoce ceněny. Thorium disponuje pouze malým množstvím obsazených 5f stavů, jenž se účastní chemické vazby, a tedy vykazují itinerantní chování. Díky tomu není nutné jejich chování korigovat pomocí Hubbardova modelu. U elementů s vysokým atomovým číslem existuje však problém s popisem relativistických 6p1/2 stavů při zahrnutí spin-orbitální interakce do skalárně-relativistické kalkulace. Vliv spin-orbitální interakce je analyzován pro elektronové, elastické a fononové vlastnosti. Obdobná analýza je provedena i pro monokarbid thoria. Studie se zabývá změnami vlastností vycházející ze začlenění uhlíku do thoriové struktury. Důkladná analýza tepelné vodivosti zahrnující jak elektronový, tak i fononový příspěvek, je provedena pro Th i ThC. Zvýšená pozornost je kladena na vysvětlení, proč optické fononové větve ThC přispívají pouze 6 % z celkové fononové tepelné vodivosti. Vliv velikosti zrn a bodových defektů na fononovou tepelnou vodivost je rovněž diskutován.

Abstract:

Thorium is beginning to attract attention because of its potential use as a nuclear fuel. It is not easy to carry out experiments because of its radioactive nature, and therefore theoretical works are highly appreciated. Thorium contains only a small number of the 5f states. It is generally accepted that these states are itinerant, that they form a chemical bond, and their nature does not need to be corrected with the Hubbard model. On the other hand, there is a well-known problem with the description of the 6p1/2 states when the spin-orbit coupling is added as the perturbation to a scalar-relativistic calculation. Electronic, elastic, and phonon properties are analyzed in terms of the importance of the spin-orbit coupling acting on the 6p, 6d, and 5f states. The same properties are analyzed for thorium monocarbide, and a difference caused by adding a carbon atom into the structure is discussed. Detailed analysis of the thermal conductivity (both phonon and electronic contributions) is also included. The extra attention is paid to the thermal conductivity of ThC explaining why the optical phonon modes account only for approximately 6 % of the phonon thermal conductivity. The existence of grain boundary and point defects on the phonon thermal conductivity is also discussed.

Keywords

ab initio, DFT, thorium, elasticita, termodynamika, fonony, jaderná paliva, tepelná vodivost, fononový rozptyl

Keywords

ab initio, DFT, thorium, elasticity, thermodynamics, phonons, nuclear fuels, thermal conductivity, phonon scattering

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 5. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 30. 6. 2020
• Supervisor: Dominik Legut
• Reader: Urszula Wdowik

VSB – Technical University of Ostrava

Univerzitní studijní programy

Master programme / field:
Nanotechnologie / Nanotechnologie