НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Как стареет ядерное топливо

«Старение топлива»
«Старение топлива»
Дизайнер Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ

Ученые лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния Московского физико-технического института предложили метод ускоренного расчета диффузии нанополостей в твердых материалах. Он позволит создать существенно более точные модели старения топлива для ядерных энергетических установок. Работа опубликована в Journal of Nuclear Materials, кратко о результатах исследования рассказала пресс-служба МФТИ.

Почему ядерное топливо «стареет»?

В процессе работы реактора осколки деления, пролетая на больших скоростях через кристаллическую решетку материала ядерного топлива, образуют дефекты — вакансии, межузельные атомы и их комплексы. Собираясь вместе, вакансии образуют пустоты, которые в процессе выгорания топлива заполняются газовыми продуктами деления. Диффузия подобных нанопузырьков существенно влияет на свойства топлива и выход из него газообразных продуктов деления.

Процессы старения топлива сложно изучать экспериментально. С одной стороны, они протекают очень медленно, а с другой — сбор экспериментальных данных в процессе работы реактора практически невозможен. Поэтому в настоящее время разрабатываются комплексные модели, позволяющие рассчитывать эволюцию свойств топливного материала в процессе выгорания. Коэффициент диффузии нанопузырей — один из ключевых параметров этих моделей.

Рисунок 1. Структура внутренней поверхности нанополости в гамма-уране. Источник: Antropov, Stegailov, Journal of Nuclear Materials

От уравнения Шредингера к динамике сотен тысяч атомов

Исследователи из лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ рассмотрели атомистические модели материала, включающие в себя сотни тысяч атомов. С помощью суперкомпьютеров ученые рассчитали для них траектории движения на протяжении сотен миллионов и даже миллиардов шагов интегрирования. Используемая в работе модель межатомного взаимодействия гамма-фазы урана была получена научной группой в предыдущей работе на основе решения квантово-механической задачи для многоэлектронной системы.

Рисунок 2. Типы кристаллических дефектов на поверхности. Источник: Antropov, Stegailov, Journal of Nuclear Materials

Один из авторов работы, аспирант МФТИ Александр Антропов, рассказал: «Для того, чтобы нанопузырек перемещался, необходимо, чтобы атомы кристаллической решетки переходили с одной его стороны на другую. Можно провести аналогию с движением пузырька воздуха в воде, однако в твердом теле этот процесс протекает гораздо медленнее. В ходе работы над проектом мы наглядно продемонстрировали, что есть еще одно отличие: поры в кристаллической решетке принимают форму многогранников, и устойчивые грани тормозят процесс диффузии. В 70-х годах прошлого века возможность такого эффекта была предсказана теоретически из общих соображений. Наш метод позволяет получить количественные результаты для конкретного материала».

Рисунок 3. Последовательные перестройки на грани нанопузырька с радиусом 12 Ангстрем. Источник: Antropov, Stegailov, Journal of Nuclear Materials

«В силу того, что диффузия нанопор происходит очень медленно, единственный реальный способ моделировать их движение — как-то их подтолкнуть. Однако неочевидно, как толкать пустоту. Работая над проектом, мы предложили и обосновали метод, в котором на материал, окружающий нанопору, действует внешняя сила. В таком случае полость начинает всплывать, аналогично пузырьку в воде под действием силы Архимеда. Предложенный способ основан на соотношении Эйнштейна — Смолуховского и ускоряет вычисление коэффициента диффузии в несколько десятков раз. В дальнейшем мы планируем применить его для других материалов, испытывающих интенсивные радиационные повреждения в ядерных реакторах», — прокомментировал Владимир Стегайлов, профессор МФТИ, заведующий лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.

Рисунок 4. Элементы молекулярно-динамической модели в расчетной ячейке. Источник: Antropov, Stegailov, Journal of Nuclear Materials

Редакция

Электронная почта: [email protected]
VK.com Twitter Telegram YouTube Яндекс.Дзен Одноклассники
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2022.