Ученые из Московского физико-технического института нашли возможное объяснение аномально быстрого выхода газа из ядерного топлива. Суперкомпьютерное моделирование позволило обнаружить неожиданный механизм ускорения выхода газовых пузырей из кристаллической матрицы диоксида урана на поверхность. Статья с результатами исследования опубликована в Journal of Nuclear Materials, кратко о них рассказала пресс-служба МФТИ.
Диффузия газовых пузырей в процессе работы реактора — одна из важных тем ядерной энергетики, касающаяся радиационной безопасности. Пузыри из газообразных продуктов деления (преимущественно ксенона), скапливаясь в топливе, влияют на многие его свойства. Поэтому при проектировании и использовании реакторов важно знать, насколько быстро газ выходит из топлива.
Несмотря на усилия ученых, полное понимание механизмов диффузии газов в топливе пока отсутствует. Ярким свидетельством этого факта является недавняя серия работ французских исследователей. Результаты, которые показывает предлагаемая ими модель, в десятки раз ниже измеряемых в специальных экспериментах. «Сам факт опубликования подобных противоречивых результатов и, по сути, неработающей теории говорит, с одной стороны, о высоком интересе научного сообщества к данной проблеме, а с другой — о необходимости поиска принципиально новых физических механизмов сверхбыстрой диффузии», — говорит профессор МФТИ Владимир Стегайлов.
Ученые из МФТИ под руководством Владимира Стегайлова смогли промоделировать диффузию нанопузырей ксенона в диоксиде урана на протяжении огромного по атомным масштабам времени — до трех микросекунд. Это стало возможно благодаря оптимальному использованию суперкомпьютерных мощностей и современных кодов. В результате подобных рекордных молекулярно-динамических расчетов удалось непосредственно пронаблюдать броуновское движение пузыря и обнаружить принципиально новый механизм диффузии. Ранее считалось, что чем выше концентрация газа, тем медленнее диффузия, так как газ мешает движению диоксида на поверхности пузыря. Авторы статьи показали, что при достижении некоторой концентрации газ выталкивает атомы кристаллической решетки в междоузельные положения.
«Скапливаясь, междоузельные атомы образуют кластеры, быстро перемещающиеся вокруг пузыря. Пузырь и кластер, периодически подталкивая друг друга, двигаются существенно быстрее, чем пузырь сам по себе. Таким образом, появляется новый эффект — ускорение диффузии газом», — поясняет один из авторов исследования, аспирант ФЭФМ МФТИ Александр Антропов. Открытый эффект поможет объяснить расхождение теории с экспериментом.
