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


Volume 14, issue 2, 2013 year


Разработка нового межатомного потенциала для изучения структуры и свойств урана

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


Volume 14, issue 2, 2013 year



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.