西工大 王毅团队MGE Adv.：铌、钽、锆过渡金属掺杂对钍单碳化物热力学与电子性质的调控机制

本文基于第一性原理计算，系统研究了铌(Nb)、钽(Ta)、锆(Zr)三种过渡金属掺杂对钍单碳化物(ThC)热力学与电子性质的调控机制。背景方面，钍基碳化物因其优异性能被视为第四代反应堆候选燃料，但高温服役性能仍需优化。研究目的旨在通过合金化设计，探究不同掺杂元素及浓度对材料性能的影响。结论表明，Zr掺杂的(Th₀.₉Zr₀.₁)C体系展现出最优综合性能，在1800K高温下仍保持高刚度(体积模量141.49 GPa)和高热导率(>8 W·m⁻¹·K⁻¹)；Ta掺杂导致结构软化和热导率骤降；Nb掺杂则通过形成强Nb-C共价键增强了局部结构稳定性。键合电荷密度分析从原子尺度揭示了性能差异的电子结构起源。本研究为设计高性能钍基核燃料提供了关键理论支撑和材料优化策略。