Abstract Thorium-based materials have been utilized as candidate in Generation-IV nuclear reactors. The thermo-mechanical properties of traditional thorium-based nuclear fuels may not satisfy the operating requirements of the nuclear reactor. For example, the thermal conductivity of ThO2 decreases to 3 Wm−1K−1 when the temperature reaches 1200 K, which may not be compatible with the nuclear reactors. ThC is found to be unstable at zero pressure while a phase transition will happen under high pressure. Hence it is necessary to explore the potential (Th, U)Si ternary nuclear fuel. In this study, not only the mechanical and thermal properties of the Th-Si compounds were calculated, but also the structures and thermo-mechanical properties of (Th, U)Si ternary compounds constructed by replacing Th atoms with U atoms in the binary compounds, are predicted through first principles. The Th-Si and (Th, U)Si compounds are both ductile with high Young's modulus (130GPa). The configuration of Th3Si2 has the strongest mechanical isotropy in binary and ternary compounds, while the mechanical isotropy of Th4Si4U2 decreases by substituting Th atoms in Th3Si2(Th6Si4) with U atoms. Additionally, the mechanical isotropy of Th2Si4U2 is elevated dramatically by replacing Th atoms in ThSi(Th4Si4) with U atoms. Lastly, Th3Si2 and its derived ternary compound Th5Si4U were selected to explore the effect of atomic substitution on thermal performance. Specifically, U-substituted Th5Si4U displays isotropy on lattice thermal conductivity which is similar to Th3Si2(Th6Si4), but it will reduce the electron thermal conductivity after replacing Th with U atom.

中文翻译：

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(Th,U)Si 化合物的机械和热性能：系统的密度泛函理论研究

摘要 钍基材料已被用作第四代核反应堆的候选材料。传统钍基核燃料的热机械性能可能无法满足核反应堆的运行要求。例如，当温度达到 1200 K 时，ThO2 的热导率下降到 3 Wm-1K-1，这可能与核反应堆不兼容。发现 ThC 在零压力下不稳定，而在高压下会发生相变。因此有必要探索潜在的(Th,U)Si三元核燃料。本研究不仅计算了Th-Si化合物的力学性能和热力学性能，还计算了二元化合物中用U原子取代Th原子构成的(Th,U)Si三元化合物的结构和热力学性能。 , 是通过第一性原理预测的。Th-Si 和 (Th, U)Si 化合物都具有高杨氏模量 (130GPa) 的延展性。Th3Si2的构型在二元和三元化合物中具有最强的机械各向同性，而Th4Si4U2的机械各向同性通过用U原子取代Th3Si2(Th6Si4)中的Th原子而降低。此外，通过用 U 原子替换 ThSi(Th4Si4) 中的 Th 原子，Th2Si4U2 的机械各向同性显着提高。最后，选择 Th3Si2 及其衍生的三元化合物 Th5Si4U 来探索原子取代对热性能的影响。具体而言，U取代的Th5Si4U在晶格热导率上表现出各向同性，类似于Th3Si2(Th6Si4)，但用U原子取代Th后会降低电子热导率。U)Si 化合物都具有高杨氏模量 (130GPa) 的延展性。Th3Si2的构型在二元和三元化合物中具有最强的机械各向同性，而Th4Si4U2的机械各向同性通过用U原子取代Th3Si2(Th6Si4)中的Th原子而降低。此外，通过用 U 原子替换 ThSi(Th4Si4) 中的 Th 原子，Th2Si4U2 的机械各向同性显着提高。最后，选择 Th3Si2 及其衍生的三元化合物 Th5Si4U 来探索原子取代对热性能的影响。具体而言，U取代的Th5Si4U在晶格热导率上表现出各向同性，类似于Th3Si2(Th6Si4)，但用U原子取代Th后会降低电子热导率。U)Si 化合物都具有高杨氏模量 (130GPa) 的延展性。Th3Si2的构型在二元和三元化合物中具有最强的机械各向同性，而Th4Si4U2的机械各向同性通过用U原子取代Th3Si2(Th6Si4)中的Th原子而降低。此外，通过用 U 原子替换 ThSi(Th4Si4) 中的 Th 原子，Th2Si4U2 的机械各向同性显着提高。最后，选择 Th3Si2 及其衍生的三元化合物 Th5Si4U 来探索原子取代对热性能的影响。具体而言，U取代的Th5Si4U在晶格热导率上表现出各向同性，类似于Th3Si2(Th6Si4)，但用U原子取代Th后会降低电子热导率。Th3Si2的构型在二元和三元化合物中具有最强的机械各向同性，而Th4Si4U2的机械各向同性通过用U原子取代Th3Si2(Th6Si4)中的Th原子而降低。此外，通过用 U 原子替换 ThSi(Th4Si4) 中的 Th 原子，Th2Si4U2 的机械各向同性显着提高。最后，选择 Th3Si2 及其衍生的三元化合物 Th5Si4U 来探索原子取代对热性能的影响。具体而言，U取代的Th5Si4U在晶格热导率上表现出各向同性，类似于Th3Si2(Th6Si4)，但用U原子取代Th后会降低电子热导率。Th3Si2的构型在二元和三元化合物中具有最强的机械各向同性，而Th4Si4U2的机械各向同性通过用U原子取代Th3Si2(Th6Si4)中的Th原子而降低。此外，通过用 U 原子替换 ThSi(Th4Si4) 中的 Th 原子，Th2Si4U2 的机械各向同性显着提高。最后，选择 Th3Si2 及其衍生的三元化合物 Th5Si4U 来探索原子取代对热性能的影响。具体而言，U取代的Th5Si4U在晶格热导率上表现出各向同性，类似于Th3Si2(Th6Si4)，但用U原子取代Th后会降低电子热导率。此外，通过用 U 原子替换 ThSi(Th4Si4) 中的 Th 原子，Th2Si4U2 的机械各向同性显着提高。最后，选择 Th3Si2 及其衍生的三元化合物 Th5Si4U 来探索原子取代对热性能的影响。具体而言，U取代的Th5Si4U在晶格热导率上表现出各向同性，类似于Th3Si2(Th6Si4)，但用U原子取代Th后会降低电子热导率。此外，通过用 U 原子替换 ThSi(Th4Si4) 中的 Th 原子，Th2Si4U2 的机械各向同性显着提高。最后，选择 Th3Si2 及其衍生的三元化合物 Th5Si4U 来探索原子取代对热性能的影响。具体而言，U取代的Th5Si4U在晶格热导率上表现出与Th3Si2(Th6Si4)相似的各向同性，但用U原子取代Th后会降低电子热导率。