Fysiker från Ryska vetenskapsakademien har beskrivit rörligheten hos linjefel, eller dislokationer, i urandioxid. Detta kommer att möjliggöra framtida förutsägelser av kärnbränslebeteende under driftförhållanden. Forskningsresultaten publicerades i International Journal of Plasticity .

Kärnbränsle har en enorm potential, eftersom det är en av de mest energitäta resurserna som finns tillgängliga-en pellets med en urandioxidbränsle på högst några gram avger samma mängd energi i reaktorkärnan som produceras genom att bränna flera hundra kilo antracitkol eller olja. När en kärnreaktor är i drift, bränslet i pellets genomgår extremt komplexa transformationer orsakade av både temperatur och strålning. Eftersom de bakomliggande mekanismerna för dessa transformationer ännu inte är helt förstått, vi kan fortfarande inte inse kärnbränslens fulla potential och minska risken för olyckor till ett minimum.

Bränslepellets mekaniska egenskaper, som spelar en viktig roll inom kärnteknik, bestäms av rörelser och växelverkan mellan dislokationer. Dislokationsrörlighet i urandioxid vid höga temperaturer och under stress har aldrig studerats i detalj. ny forskning om dislokationsdynamik har utförts av Artem Lunev, Alexey Kuksin, och Sergey Starikov. I deras papper, forskarna rapporterar om en simulering av dislokationsbeteende i urandioxid, som är en av de mest utbredda föreningarna som används som kärnbränsle på kraftverk över hela världen.

För att användas som kärnbränsle, urandioxid bildas till keramiska pellets som sintras vid hög temperatur. Detta material har en mycket hög smältpunkt, är resistent mot strålningsinducerad tillväxt, och upplever inte fasövergångar inom ett brett temperaturintervall. Teoretiskt sett en fast kropp har en regelbunden, ordnad struktur (kristallin struktur), och det finns en bestämd position för varje atom att inta. I verkligheten, perfekta kristaller existerar inte, eftersom vissa atomer eller grupper av atomer alltid är på sin plats, ändra det perfekta arrangemanget. Med andra ord, det finns defekter (brister) i en verklig kristall. De finns i flera typer, nämligen., punktfel, linjefel (dislokationer), plana defekter och bulkfel. Defekter kan röra sig inom kristallen, och arten av deras rörelse beror på yttre faktorer. Dislokationsdynamik är känd för att bestämma bränsleegenskaper som är relevanta för kärnteknik (plasticitet, klyvningsfragment diffusion).

I deras studie, forskarna från MIPT och Joint Institute for High Temperatures använde beräkningsmetoder för att utveckla en modell för en isolerad dislokation i en perfekt urandioxidkristall. De beräknade den olika dislokationshastigheten som en funktion av temperaturen och de yttre krafterna som påverkar kristallen.

Forskarna analyserade simuleringsresultat inom ramen för statistisk fysik och erhöll en modell som beskriver uppförandet av dislokationer i ett brett temperaturintervall under skjuvspänning av olika storlekar. Denna modell möjliggör beräkning av dislokationshastigheten baserat på de kända temperatur- och spänningsparametrarna.

Den modell som föreslås av de ryska forskarna kan snart användas för att simulera mer komplexa system och studera de makroskopiska processerna som förekommer i bränslepellets under driftförhållanden.

"Detta är ett stort framsteg mot att beskriva processer som är så komplexa som svullnad av kärnbränsle och sprödhet under drift med enbart datorsimuleringar, "säger Sergey Starikov, en medförfattare till studien, docent vid MIPT, och en senior forskare vid Joint Institute for High Temperatures.

Datormodellering gör det möjligt för forskare att spåra enskilda bränsleatomer och beräkna deras hastigheter och krafterna som påverkar dem, tillsammans med andra parametrar. Detta gör att system med olika komplexa konfigurationer kan simuleras och studeras. Datormodellering används ofta i situationer där det är problematiskt att utföra ett experiment. Forskning om kärnbränslebeteende är ett av dessa områden. Sådana storskaliga beräkningar bygger på moderna superdatorer, eftersom massiv datorkraft krävs för att hitta de krafter som påverkar enskilda atomer vid varje ögonblick i tid.