Forskare vid MIPT har hittat en möjlig förklaring till det onormalt snabba utsläppet av gas från kärnbränsle. Superdatorsimuleringar har avslöjat en oväntad mekanism för att påskynda flykten av gasbubblor från urandioxidkristallmatrisen till ytan. Resultatet visar vägen för att eliminera den paradoxala diskrepansen av flera storleksordningar mellan existerande teoretiska modeller och experimentella resultat. Tidningen publicerades i Journal of Nuclear Materials .

Diffusionen av gasbubblor under reaktordrift är ett av de viktiga ämnena inom kärnkraft med anknytning till strålsäkerhet. Bubblor av gasformiga klyvningsprodukter (främst xenon), ackumuleras i bränslet, påverkar många av dess egenskaper. Därför, det är viktigt, vid konstruktion och drift av reaktorer, för att veta hur snabbt gasen kommer ut ur bränslet.

Trots det aktiva arbetet från olika vetenskapliga grupper inom detta område, det finns fortfarande ingen fullständig förståelse för mekanismerna för diffusion av gaser i bränslen. Den senaste serien av arbeten av franska forskare är ett slående bevis på detta faktum. Resultaten som visas av deras föreslagna modell är dussintals gånger lägre än de som uppmätts i speciella experiment. "Själva det faktum att sådana motsägelsefulla resultat och, faktiskt, ogenomförbar teori har publicerats visar, å ena sidan, vetenskapssamfundets stora intresse för detta problem och, på den andra, behovet av att hitta fundamentalt nya fysiska mekanismer för ultrasnabb diffusion, " säger MIPT-professor Vladimir Stegailov.

MIPT-forskarna ledda av Vladimir Stegailov kunde simulera diffusionen av xenon-nanobubblor i urandioxid under en tidsperiod i atomär skala på upp till tre mikrosekunder (tre miljarder integrationssteg). Detta möjliggjordes genom optimal användning av superdatorkraft och moderna koder. Sådana rekordbrytande beräkningar av molekylär dynamik har möjliggjort direkt observation av bubblans Browns rörelse och upptäckt av en fundamentalt ny diffusionsmekanism.

Man trodde tidigare att ju högre gaskoncentration desto långsammare diffusion, eftersom gasen stör dioxidens rörelse på bubblans yta. Författarna visade att när gasen uppnår en viss koncentration trycker atomerna i kristallgittret till inter-nodala positioner.

"Genom att ackumulera, de internodala atomerna bildar kluster som rör sig snabbt runt bubblan. Bubblan och klustret trycker periodvis på varandra och rör sig därmed betydligt snabbare än bubblan på egen hand. Sålunda uppträder en ny effekt - acceleration av diffusion med gas", förklarar Alexander Antropov, en doktorand vid FEFM (Phystech School of Electronics, Photonics and Molecular Physics vid MIPT) och en av författarna till studien. Den upptäckta effekten kommer att hjälpa till att förklara diskrepansen mellan teori och experiment.