随着生产、生活对能源需求的不断增长,核能作为具有多种优势的清洁能源,正受到越来越多的关注。相对于煤、石油等化石燃料能源,核裂变能具有以下优点:(1)燃料体积小,可释放能量大;(2)安全性强;(3)不会释放二氧化硫和氧化氮等有害气体,污染小。核燃料中的可裂变元素主要有235U,232Th(增殖到233U后裂变)和239Pu。中科院上海应用物理研究所承担了中科院钍基熔盐堆(TMSR)先导专项。熔盐堆发展了两种堆型:固态燃料熔盐堆与液态燃料熔盐堆,分别使用:多层包覆TRISO燃料(tristructural isotropic particles)和液态核燃料(熔解在冷却剂熔融盐中的锕系氟化物燃料)。基于密度泛函理论,本论文运用多种模拟计算软件,研究了上述两种燃料的微观结构与关键性质。本论文的主要内容包括三个方面:1.钍基碳化物燃料(一碳化钍)的缺陷稳定性;2.钍基碳化物燃料(二碳化钍)的微观电子结构;3.锕系氟化物AnF4(An=Th-Cm)中An-F的成键特性研究。本论文采用密度泛函理论研究了新型钍基核燃料(一碳化钍)的弹性性质和缺陷稳定性。理论计算得到的一碳化钍的电子结构和弹性性质与实验数据以及其它理论结果都非常吻合。在缺陷结构的研究中,本论文讨论了五类缺陷:空位缺陷、间隙缺陷、反位缺陷、肖特基缺陷和组成守恒缺陷。上述缺陷中,碳空位缺陷的形成能最低,只有0.29 eV,证明碳空位是一碳化钍体系中最稳定的点缺陷,该结论和实验现象一致,即“在非化学计量的碳化钍中,占主导地位的缺陷种类是碳空位”。除碳空位缺陷外,形成能最低的缺陷形式是组成守恒缺陷,这这类缺陷中,一个碳原子移动到另一个碳原子位置,两个碳原子形成C2双聚体形式,此类缺陷的形成能只有0.49 eV。另外,本论文也讨论了几类碳间隙缺陷,得到以下结论:即碳三聚体组态是碳双聚体在碳化钍体系中扩散时的过渡态。本论文研究了碳化钍核燃料的主要组成成分二碳化钍的微观结构。二碳化钍有三种不同的相结构。室温下,是单斜结构,在1430℃到1480℃之间,碳碳双聚体的取向开始转动,单斜结构相变为四角结构,当温度高于1480℃时,二碳化钍的结构属于立方晶系,且在立方晶系中,碳碳双聚体的取向是完全无序和随机的。基于密度泛函理论,本论文计算研究了二碳化钍的的几何结构,电子性质和声子色散曲线。计算得到的αThC2的晶格常数和原子之间的距离与实验数据非常吻合。在所有已知的锕系二碳化物(ThC2,PaC2,UC2,NpC2和PuC2)的低温结构中,只有二碳化钍的结构是比较异常的单斜晶体结构,而其它锕系二碳化物都是四角CaC2结构。本论文计算了锕系二碳化物的电子局域函数(ELF),结果表明αThC2的较为异常的单斜晶体结构对二碳化钍中垂直于碳碳双聚体的钍-碳键之间的电子局域有很大贡献。本论文还讨论了二碳化钍的状态方程和声子色散曲线。阐明锕系氟化物的化学成键对于了解和预测锕系元素在氟化物熔融盐中的物理和化学行为非常有必要。本论文采用相对论密度泛函理论研究了锕系四氟化物AnF4(An=Th-Cm)的成键特性。键级分析表明An=U-Np时An-F键的键强较强,An=Th,Am和Cm时,An-F键的键强较弱。尽管An-F键的成键特性以离子性为主,通过计算氟2p轨道和锕系5f,6d轨道的重叠积分发现锕系四氟化物的An-F键存在一定的共价相互作用。自然电荷分析和电子密度分析表明在锕系四氟化物体系中,An-F键的成键共价性随原子序数增大先增大后减小,并在An=Pu和Np处达到最大值,在An=Th,Am和Cm时成键的离子性较强。在本章中也将锕系四氟化物的研究结果和文献中同结构的AnCp4(Cp=η5-C5H5)的结果做了比较,并发现锕系四氟化物的锕系-配体共价成键更为明显。在本部分研究中也讨论了轨道重叠和能级近简并在成键共价性中的作用。