First-principles calculation study on phonon thermal conductivity of thorium and plutonium dioxides; Intrinsic anharmonic phonon-phonon and extrinsic grain-boundary-phonon scattering effects

二酸化トリウムと二酸化プルトニウムの熱伝導率の第一原理計算; 非調和フォノン-フォノン散乱と粒界-フォノン散乱の効果

中村 博樹  ; 町田 昌彦  

Nakamura, Hiroki; Machida, Masahiko

燃料の安全性解析やシビアアクシデントの解析において、二酸化アクチニドなどの燃料物性の数値シミュレーションはその重要度を増してきており、より精密で信頼性の高い数値シミュレーション技術が求められている。本論文では上記課題に対して、第一原理計算を利用した二酸化トリウム及びプルトニウムの熱伝導率の評価についての結果を報告する。なお、課題解決にあたって、大型計算機を利用し、フォノンの非調和効果および粒界散乱の効果を考慮し、熱伝導率の評価に成功した。この結果により、酸化物核燃料全般の熱伝導率評価を第一原理計算により精度よく推算できるようになることが期待される。

Thermal conductivity of nuclear fuel materials is one of the most essential thermophysical data in analyzing nuclear reactor safety and fuel performance. To establish a reliable technique of computation of their thermal conductivity, we apply a scheme based on first-principles electronic calculations and calculate phonon thermal conductivity of both plutonium and thorium dioxides. In the employed scheme, all phonon properties are calculated from harmonic and third-order anharmonic force constants obtained through first-principles calculations. Using these phonon properties, phonon thermal conductivity are computed with a standard phonon transport theory. The calculation results show a good agreement with experiments. Moreover, we evaluate grain-boundary effects on phonon thermal conduction. These results prove that the present first-principles scheme is reliably applicable to accurate computation of phonon thermal conductivity of fuel materials in the considered temperature range.