Development of a new interatomic potential for investigation of structure and properties of uranium
Using force-matching method a new interatomic potential for uranium is developed that allows to study structure and properties of α-U, γ-U and liquid uranium. The potential is fitted to the forces, energies and stresses obtained from ab initio calculations. The model gives a good comparison with the experimental and ab initio data on the lattice constants of α-U and γ-U, the elastic constants, the room temperature isotherm, the normal density isochore and the vacancy formation energies. The calculated melting line of uranium at pressures up to 80~GPa and the temperature of the α-U — γ-U transition at 3~GPa agree well with the experimental phase diagram of uranium.
molecular modeling, material sciences, uranium, interatomic interaction potentials, density functional theory
Предлагается новый потенциал межатомного взаимодействия для урана. Потенциал построен в рамках модели погруженного атома. В качестве опорных данных при оптимизации потенциальных функций используются значения сил, энергий и напряжений, полученные из ab initio расчетов. Потенциал применен для изучения свойств кристаллических фаз урана. Установлено, что параметры решеток α-урана и γ–урана, упругие модули, изохора, кривая “холодного сжатия” и энергии образования вакансий хорошо согласуются с известными экспериментальными данными и результатами расчетов, выполненных в рамках теории функционала плотности. Потенциал позволяет моделировать фазовые переходы первого рода между γ-ураном и жидкостью и между γ-ураном и α-ураном. Определены температуры плавления урана при давлениях до 80 ГПа и температура фазового перехода между γ-структурой и α-структурой при ~ 3 ГПа.
молекулярное моделирование, материаловедение, уран, межатомные потенциалы взаимодействия, теория функционала плотности
1. Ercolessi F., Adams J.B. Interatomic potentials from firstprinciples calculations: the Force-Matching method // Europhys. Lett. — 1994. — V. 26. — P. 583. 2. Daw M.S., Baskes M.I. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Phys. Rev. B. — 1984. — V. 29. — N12.— Pp. 6443−6453. 3. Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Phys. Rev. B. — 1996. — V. 54. — N16. — P. 11169-11186. 4. Brommer P., Gähler F. Effective potentials for quasicrystals from ab-initio data // Phil. Mag. — 2006. — V.86.— Pp. 753−758. 5. Söderlind P. First-principles elastic and structural properties of uranium metal // Phys. Rev. B. — 2002. — V66. — N 8 — P. 085113. 6. Taylor C.D. Evaluation of first-principles techniques for obtaining materials parameters of α-uranium and the (001) α- uranium surface // Phys. Rev. B. — 2008. — V.77.— N9.— P. 094119. 7. Barrett C.S., Mueller M.H., Hitterman R.L. Crystal structure variations in alpha uranium at low temperatures // Phys. Rev. — 1963. — V. 129. — N 2. — P. 625-629. 8. Yoo C.-S., Cynn H., Söderlind P. Phase diagram of uranium at high pressures and temperatures // Phys. Rev. B. 1998.— V.57. — N 17. — Pp. 10359−10362. 9. Akella J., Smith G.S., Grover R., Wu Y., Martin S. Static EOS of uranium to 100 GPa pressure // High. Pres. Res. — 1990. — V. 2. — N 5 & 6. — Pp. 295−302. 10. Kaptay G., Csicsovszki G., Yafhmaee M.S. Estimation of the absolute values of cohesion energies of pure metals // Materials’ World (e-journal with ISSN 1586-0140, URL: http://materialworld.fw.hu), July 2001. 11. Zhao Y., Zhang J., Brown D.W., Korzekwa D.R., Hixson R.S. Equations of state and phase transformation of depleted uranium DU-238 by high pressure-temperature diffraction studies // Phys. Rev. B. — 2007. — V. 75. — N 17.— P. 174104. 12. Blanter M.S., Glazkov V.P., Somenkov V.A.. Anisotropy of thermal vibrations and polymorphic transformations in lanthanum and uranium // phys. stat. sol. (b) — 2009 — V.246. — N5. — Pp.1044−1049. 13. Блантер М.С., Глазков В.П., Соменков В.А. Изменение тепловых смещений в сплавах урана и плутония и меха- низм стабилизации высокотемпературных фаз легирова- нием // Физика металлов и металловедение. Т. 101. № 2. 2006. С. 171−176. 14. Pascuet M.I., Fernández J.R., Monti A.M. Many body interatomic interaction for uranium // Proceedings of international conference “Multiscale modeling of microstructure evolution in materials”. 2008. P. 437-440. 15. Beeler B., Good B., Rashkeev S., Deo C., Baskes M., Okuniewski M. First principles calculations for defects in U // J. Phys.: Condens. Matter. — 2010. — V.22. —P.505703. 16. Xiang S., Huang H., Hsiung L.M. Quantum mechanical calculations of uranium phases and niobium defects in gamma-uranium // Journ. of Nucl. Mat. — 2008. — V.375.— P.113. 17. Matter H., Winter J., Triftshäuser W. Investigation of vacancy formation and phase transformation in uranium by positron annihilation // Journ. of Nucl. Mat. — 1980. — V. 88.— Pp. 273−278. 18. Morris J.R., Wang C.Z., Ho K.M., Chan C.T. Melting line of aluminum from simulations of coexisting phases // Phys. Rev. B. — 1994. — V.49. — N5. — Pp.3109−3115.
