Исследователи сделали компьютерный шаг в ядерное будущее — Naked Science
9 минут
ФизТех

Исследователи сделали компьютерный шаг в ядерное будущее

Физики описали подвижность линейных дефектов кристаллической структуры — дислокаций — в ядерном топливе на основе диоксида урана, что позволит в дальнейшем предсказывать поведение топлива в ходе эксплуатации.

Таблетки ядерного топлива
Таблетки ядерного топлива

Физики из МФТИ и ОИВТ РАН описали подвижность линейных дефектов кристаллической структуры — дислокаций — в ядерном топливе на основе диоксида урана, что позволит в дальнейшем предсказывать поведение топлива в ходе эксплуатации. Полученные результаты были опубликованы в International Journal of Plasticity.

Исследователи сделали компьютерный шаг в ядерное будущее

Ядерное топливо имеет огромный потенциал, так как оно является одним из самых энергоёмких ресурсов из ныне известных: одна топливная таблетка из диоксида урана массой в несколько граммов при работе в активной зоне реактора выделяет энергию, эквивалентную теплу от сжигания нескольких сотен килограммов антрацитового угля или нефти. В течение планового времени эксплуатации материал топлива претерпевает невероятно сложные изменения под влиянием радиационных и температурных факторов. В настоящее время механизмы этих изменений не до конца понятны, что не позволяет реализовать полный потенциал топлива и максимально снизить риск аварий.

В ядерной инженерии большую роль играют механические свойства топлива, которые определяются движением и взаимодействием дислокаций. Подвижность дислокаций в диоксиде урана при воздействии высоких температур и нагрузок до настоящего момента не была подробно изучена. Именно изучению этой характеристики дислокаций в диоксиде урана — одном из основных соединений, использующихся в качестве ядерного топлива во всём мире — посвящено исследование, представленное в статье Артёма Лунёва, Алексея Куксина и Сергея Старикова.Диоксид урана в реакторах используется в виде спечённых таблеток.

Данный материал имеет очень высокую температуру плавления, не склонен к радиационному росту и не испытывает фазовых переходов в широком температурном интервале. В теории твёрдое тело имеет чёткую, упорядоченную структуру (кристаллическую структуру), где каждый атом занимает строго определённое место. Но в реальных условиях идеальных кристаллов не существует. Это означает, что какие-то атомы или группы атомов находятся не на своём месте, нарушая идеальный порядок.

Это приводит к появлению дефектов в кристалле. Дефекты, в свою очередь, могут быть нуль-мерными (точечными), линейными (к этому типу относятся дислокации), двумерными или объёмными. Дефекты могут передвигаться внутри кристалла, и характер их передвижения зависит от внешних воздействий. Известно, что динамика линейных дефектов (дислокаций) определяет свойства топлива, важные в ядерной инженерии (пластичность, ползучесть, характер диффузии осколков деления). 

Исследователи сделали компьютерный шаг в ядерное будущее
а) Система, моделирующая поведение дислокации в кристалле диоксида урана, где σxz — приложенное сдвиговое напряжение. Зелёным обозначены атомы урана, находящиеся в узлах идеальной кристаллической решётки урана в структуре диоксида урана, синим — линия, по которой происходит искажение идеальной решётки (линия дефекта). б) Структура идеальной кристаллической решётки диоксида урана, где красным обозначены атомы кислорода, зелёным — атомы урана

В работе сотрудников ОИВТ РАН и МФТИ с помощью вычислительных методов создана модель изолированной дислокации в идеальном кристалле диоксида урана и рассчитано изменение скорости её передвижения в зависимости от температуры и внешних сил, воздействующих на кристалл.

Исследователи проанализировали результаты моделирования в рамках статистической физики и получили модель, которая описывает поведение дислокаций в широком диапазоне температур при различных сдвиговых напряжениях — теперь появилась возможность, зная необходимые параметры, рассчитать скорость, с которой будет двигаться дефект.

Опираясь на полученную модель, уже в ближайшем будущем можно будет проводить моделирование для более масштабных систем и исследовать процессы, происходящие на макроуровне в реальных топливных таблетках.Компьютерное моделирование даёт возможность оперировать непосредственно с атомами, получать информацию об их скорости, силах, которые на них действуют, и других параметрах.

Это позволяет создавать и исследовать системы различных сложных конфигураций. Компьютерное моделирование широко используется там, где провести эксперимент достаточно затруднительно по каким-либо причинам. Исследование поведения и свойств ядерного топлива — как раз такая область. Подобные расчёты требуют высоких вычислительных мощностей и производятся на современных суперкомпьютерах, так как для каждого атома рассчитываются силы, воздействующие на него в каждый момент времени.

«Мы сделали важный шаг на пути к описанию таких сложных процессов, как распухание и охрупчивание ядерного топлива в условиях эксплуатации, полностью основываясь на компьютерном моделировании», — говорит Сергей Стариков, один из авторов статьи, доцент МФТИ и старший научный сотрудник ОИВТ.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
196 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 09:45
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

10 часов назад
8 минут
Мария Азарова

Как показали авторы нового исследования, белок GATA6 участвует в регуляции волосяных фолликулов и может стать мишенью при лечении акне.

Вчера, 14:56
5 минут
Ольга Иванова

Международная группа ученых реконструировала события крупнейшего вымирания в истории Земли — пермско-триасового — и назвала ключевой, по ее мнению, фактор, который привел к катастрофе.

Вчера, 09:45
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

Позавчера, 12:21
4 минуты
Ольга Иванова

Международная группа ученых сделала рентгеновские снимки грудного отдела тела муравьев, проанализировав их мышцы и внутренний скелет. В результате исследователи выяснили, что сила этих насекомых связана с потерей способности летать.

16 октября
6 минут
Василий Парфенов

Несмотря на устоявшееся мнение, согласно которому газотурбинные двигатели (ГТД) почти достигли технологического совершенства и прироста характеристик более чем на единицы процентов в новых моделях ждать не стоит, инженеры продолжают искать способы радикально их улучшить. Компания GE Aviation уже до конца 2020 года собирается представить предсерийные экземпляры своих революционных силовых установок, которые должны быть на 20% долговечнее, на 35% экономичнее и будут иметь улучшенную на 80% энерговооруженность, чем предыдущие аналогичные модели.

28 сентября
29 минут
Александр Березин

Сентябрь 2020 года принес в Закавказье войну — столкновение Азербайджана и Нагорного Карабаха получило большой размах, общее число жертв, судя по всему, уже перевалило за сотню, а Ереван и Баку объявили мобилизацию (в Азербайджане — частичную). Объективного смысла в войне для самих участников нет. Баку не победит, но и Армения от конфликта ничего не выиграет. Пользу конфликт, однако, объективно принесет Турции, а также тем, кто поставляет в Азербайджан оружие. Возникает вопрос: почему война оказалась возможна, несмотря на дружественную позицию России к Армении, и зачем на нее пошли в Баку? И есть ли у Еревана разумный выход из назревающей бойни?

16 октября
6 минут
Денис Гордеев

Люди со второй и четвертой группами крови с большей вероятностью переболеют Covid-19 в тяжелой форме.

1 октября
39 минут
Александр Березин

После советской эпохи атомные реакторы перестали запускать в космос, но сегодня все постепенно меняется. К атомной энергетике для марсианских колоний примеривается Илон Маск, проекты лунных АЭС прорабатываются в России — и все несмотря на то, что в космосе условия для солнечной энергетики лучше, чем на нашей планете. Что заставляет космическую отрасль все чаще думать об атомных реакторах? Как ни странно, дело в том, что и ядерная энергетика в космосе становится еще важнее, чем на Земле. Попробуем разобраться почему.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: