Forskare från Moskvainstitutet för fysik och teknik har föreslagit en metod som påskyndar beräkningen av nanobubbles diffusion i fasta material. Denna metod gör det möjligt att skapa betydligt mer exakta bränslemodeller för kärnkraftverk. Tidningen publicerades i Journal of Nuclear Materials .

Varför "åldras" kärnbränsle?

Under reaktordrift, fissionsfragment, flyger med höga hastigheter genom kristallgittret i kärnbränslematerialet, skapa olika defekter—vakanser, interstitiell atomer, och deras kluster. Kombinerande, sådana vakanser bildar bubblor som fylls med klyvgasprodukter under bränsleutsläpp. Diffusionen av sådana nanobubblor påverkar avsevärt bränslets egenskaper och frigörandet av gasformiga klyvningsprodukter från det.

Modellering till undsättning

Bränsleåldringsprocesser är svåra att utforska på ett experimentellt sätt. Å ena sidan, sådana processer är mycket långsamma, och å andra sidan, att samla in experimentella data under reaktordriften är nästan omöjligt. Därför, integrerade modeller utvecklas för närvarande för att göra det möjligt att beräkna utvecklingen av bränslematerialegenskaper under utbrändhetsprocessen. Diffusionskoefficienten för nanobubblor är en av nyckelparametrarna i sådana modeller. Denna studie är ett gemensamt projekt av MIPT och det gemensamma institutet för höga temperaturer vid den ryska vetenskapsakademin.

Från Schrödingers ekvation till dynamiken i hundratusentals atomer

Forskarna från Laboratory of Supercomputer Methods in Condensed Matter Physics vid MIPT undersökte atomistiska modeller av materialet som omfattar hundratusentals atomer. Med hjälp av superdatorer, laget beräknade sina banor över hundratals miljoner eller till och med miljarder integrationssteg. Den interatomära interaktionsmodellen för gammauran som användes erhölls av fysikerna under deras tidigare arbete, baserat på att lösa det kvantmekaniska problemet för ett multielektronsystem.

MIPT -doktorand Alexander Antropov, en medförfattare till tidningen, förklarade:"För att nanobubblan ska röra sig, det är nödvändigt för gitteratomerna att korsa över till andra sidan av bubblan. Detta liknar en luftbubbla som rör sig i vatten. Dock, i fasta material, denna process är mycket långsammare. När du arbetar med projektet, vi visade att det finns en annan skillnad:porerna i gittret har formen av polyedrar och de stabila ytorna hämmar diffusionsprocessen. På 1970-talet möjligheten till en sådan effekt förutspåddes teoretiskt utifrån allmänna överväganden. Vår metod gör det möjligt att få kvantitativa resultat för ett specifikt material."

"På grund av det faktum att spridningen av nanobubblor är mycket långsam, det enda riktiga sättet att modellera deras rörelse är att på något sätt ge dem en push. Problemet, dock, är hur trycker man på ett tomrum? Under arbetet med projektet, vi föreslog och etablerade en metod, där en yttre kraft verkar på materialet som omger nanoporen. Bubblan börjar flyta uppåt, liknande en bubbla i vatten under den flytande kraften av Archimedes princip. Den föreslagna metoden är baserad på Einstein-Smoluchowski-relationen och gör diffusionskoefficientberäkningar dussintals gånger snabbare. I framtiden, vi planerar att använda den för andra material som utsätts för allvarliga strålskador i kärnreaktorer, " kommenterade Vladimir Stegailov, MIPT professor, chefen för MIPT Laboratory of Supercomputer Methods in Condensed Matter Physics.