02.04.2020
ФизТех
5

Суперкомпьютеры и сила Архимеда позволили рассчитать диффузию нанополостей в ядерном топливе

4.5

Ученые из лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ предложили метод ускоренного расчета диффузии нанополостей в твердых материалах. Данный метод позволит создать существенно более точные модели топлива для ядерных энергетических установок.

Суперкомпьютеры и сила Архимеда позволили рассчитать диффузию нанополостей в ядерном топливе / ©ru.tazael.kz

Почему ядерное топливо «стареет»?

Работа опубликована в Journal of Nuclear Materials. В процессе работы реактора осколки деления, пролетая на больших скоростях через кристаллическую решетку материала ядерного топлива, образуют дефекты — вакансии, межузельные атомы и их комплексы. Собираясь вместе, вакансии образуют пустоты, которые в процессе выгорания топлива заполняются газовыми продуктами деления. Диффузия подобных нанопузырьков существенно влияет на свойства топлива и выход из него газообразных продуктов деления.

Моделирование в помощь

Процессы старения топлива сложно изучать экспериментально. С одной стороны, они протекают очень медленно, а с другой — сбор экспериментальных данных в процессе работы реактора практически невозможен. Поэтому в настоящее время разрабатываются комплексные модели, позволяющие рассчитывать эволюцию свойств топливного материала в процессе выгорания. Коэффициент диффузии нанопузырей — один из ключевых параметров этих моделей.

Рисунок 1. Структура внутренней поверхности нанополости в гамма-уране /
©Antropov, Stegailov / Journal of Nuclear Materials / Пресс-служба МФТИ

От уравнения Шредингера к динамике сотен тысяч атомов

Исследователи из лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ рассмотрели атомистические модели материала, включающие в себя сотни тысяч атомов. С помощью суперкомпьютеров ученые рассчитали для них траектории движения на протяжении сотен миллионов и даже миллиардов шагов интегрирования. Используемая в работе модель межатомного взаимодействия гамма-фазы урана была получена научной группой в предыдущей работе на основе решения квантово-механической задачи для многоэлектронной системы.

Рисунок 2. Типы кристаллических дефектов на поверхности / ©Antropov, Stegailov / Journal of Nuclear Materials /Пресс-служба МФТИ

Александр Антропов, один из авторов работы, аспирант МФТИ, рассказал: «Для того, чтобы нанопузырек перемещался, необходимо, чтобы атомы кристаллической решетки переходили с одной его стороны на другую. Можно провести аналогию с движением пузырька воздуха в воде, однако в твердом теле этот процесс протекает гораздо медленнее.

В ходе работы над проектом мы наглядно продемонстрировали, что есть еще одно отличие: поры в кристаллической решетке принимают форму многогранников, и устойчивые грани тормозят процесс диффузии. В 1970-х годах прошлого века возможность такого эффекта была предсказана теоретически из общих соображений. Наш метод позволяет получить количественные результаты для конкретного материала».


Рисунок 3. Последовательные перестройки на грани нанопузырька с радиусом 12 Ангстрем / ©Antropov, Stegailov / Journal of Nuclear Materials / Пресс-служба МФТИ

«В силу того, что диффузия нанопор происходит очень медленно, единственный реальный способ моделировать их движение — как-то их подтолкнуть. Однако неочевидно, как толкать пустоту. Работая над проектом, мы предложили и обосновали метод, в котором на материал, окружающий нанопору, действует внешняя сила. В таком случае полость начинает всплывать, аналогично пузырьку в воде под действием силы Архимеда.

Рисунок 4. Элементы молекулярно-динамической модели в расчетной ячейке / ©Antropov, Stegailov / Journal of Nuclear Materials / Пресс-служба МФТИ

Предложенный способ основан на соотношении Эйнштейна — Смолуховского и ускоряет вычисление коэффициента диффузии в несколько десятков раз. В дальнейшем мы планируем применить его для других материалов, испытывающих интенсивные радиационные повреждения в ядерных реакторах», — прокомментировал Владимир Стегайлов, профессор МФТИ, заведующий лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
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.
Позавчера, 11:56
Илья Ведмеденко

В КНР испытали монолитный твердотопливный ракетный двигатель, имеющий самую большую тягу в мире. Разработка изделия важна для создания ракет тяжелого класса.

Позавчера, 16:31
Мария Осетрова

Ученые из MIT выяснили, что наш мозг не оптимизирован для того, чтобы искать самый короткий маршрут. Вместо этого он выбирает путь, который точнее всего указывает на конечное направление.

Сегодня, 04:30
Мария Азарова

Власти некоторых западных стран подтвердили случаи заражения новым вариантом дельта-штамма SARS-CoV-2 — AY.4.2. В России такие пациенты тоже есть, заявили в Роспотребнадзоре.

18 октября
Елена Синицкая

На днях израильский ныряльщик обнаружил на дне Средиземного моря у Хоф-ха-Кармель древние предметы, среди которых оказался меч удивительной сохранности. По мнению специалистов Израильского управления древностей, железный меч с клинком около одного метра и 30-сантиметровой рукоятью принадлежал крестоносцу и датируется XII веком.

15 октября
Илья Ведмеденко

Компания General Dynamics Land Systems представила макет наземного робота TRX, который выступит носителем беспилотников-камикадзе. Помимо них, он получил квадрокоптер.

Позавчера, 11:56
Илья Ведмеденко

В КНР испытали монолитный твердотопливный ракетный двигатель, имеющий самую большую тягу в мире. Разработка изделия важна для создания ракет тяжелого класса.

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

27 сентября
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

[miniorange_social_login]

Комментарии

5 Комментариев

-
0
+
Что суперкомпьютеры на столько слабы что не могут разложить маленькое число на множители. 2 степень 1277 ответ отнять единицу. Число вроде маленькое. А суперкомпьютер слабый.
    -
    0
    +
    Анекдот: - Из чего состоит математический тензорный анализ? Да из того же что и обычные больничные анализы, только запах у него слегка "математический"...
-
0
+
Сила Архимеда принципиально не способна вытеснять нанопоры из кристаллической решетки. Вернее ее влияние постоянно, но ничтожно. На мой взгляд внутри кристаллических решеток всегда протекают высокочастотные блуждающие сейсмические волны. В радиоактивных материалах они носят существенный характер, усугубляясь с ростом температуры. На поверхностях деффектов решетки образуются ударные кумулятивные очаги, заполняющиеся кавитационными газами. Движение пустот внутри материала определяется резонансными всплесками вибрационных доменов в большей степени, чем силой Архимеда и приводит к паразитным реакциям деления изотопов. Вопрос: Создание управляемого резонансного контура внутри стержня очевидно будет вытеснять пустотные включения, подавлять паразитные вибрации, аккумулируя их фазы, но не приведет ли это к неуправляемой реакции деления ядер???
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: