Суперкомпьютеры и сила Архимеда позволили рассчитать диффузию нанополостей в ядерном топливе
7 минут
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.
ФизТех
168 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, 18:07
10 минут
София Жаботинская

Таковы итоги первой фазы клинических испытаний, проведенных исследователями из Китая. Ученые уже развернули вторую фазу тестов, результаты которой станут известны через шесть месяцев.

5 часов назад
33 минуты
Александр Березин

Александр Мясников, глава Информационного центра по мониторингу ситуации с коронавирусом, заявил, что «вирус как бы фильтруется через наши иммунные силы, <...> каждый раз, попадая в очередной организм, дальше идет немного ослабленный». В связи с этим он ожидает отступления волны заражения «самой по себе». Однако целый ряд научных исследований — да и опыт пандемии «испанки» — указывают на другой, менее благостный сценарий. Попробуем разобраться, что считает наука по поводу некоторого спада в числе зараженных в России: почему он идет и когда ситуация может развернуться вспять.

Вчера, 20:43
5 минут
София Жаботинская

Вирусы, живущие в клетках протобактерий SAR11, могут помогать разным штаммам этих микроорганизмов обмениваться генетическим материалом и получать конкурентное преимущество.

Позавчера, 08:19
4 минуты
София Жаботинская

Внутрикорабельные костюмы членов экипажа Crew Dragon неудобны и выдерживают меньшие перегрузки, чем российские аналоги.

27 мая
37 минут
Александр Березин

После очень долгого перерыва США вновь пытаются запустить человека в космос своими силами. Но если с ракетами и кораблем у них сейчас все лучше, чем у стран-конкурентов, то со скафандрами не все так гладко. Они заметно неудобнее и тяжелее — что приводит к большим проблемам, вплоть до отваливающихся ногтей на пальцах астронавтов. Почему так вышло — в интервью Naked Science рассказал конструктор скафандров Николай Моисеев.

25 мая
4 минуты
София Жаботинская

Создатели препарата добровольно ввели себе собственную разработку и, как сообщает руководитель центра имени Гамалеи, добились успеха.

14 мая
6 минут
София Жаботинская

Две-три чашки кофе в день обеспечивают уменьшение как подкожного, так и висцерального жира у женщин — по сравнению с теми, кто пьет кофе реже или не пьет совсем.

18 мая
47 минут
Александр Березин

«Новая газета» обратила внимание, что в статистике столицы — эпицентра коронавирусной эпидемии в России — в апреле 2020 года виден аномальный всплеск смертей. Он в разы превышает официальные цифры гибели людей от Covid-19. Власти опять скрывают? Naked Science внимательно присмотрелся к ситуации и обнаружил, что дело совсем в другом факторе, никак не связанном с новой болезнью. Рассказываем, о чем речь.

2 мая
40 минут
Александр Березин

Криптовалюты защищены от инфляции, обесценивающей даже доллар всемеро за полвека. Их второе поколение – пока состоящее из одного только дуровского грама – еще и сможет быть повседневным средством платежей, что недоступно для биткойна. Вроде бы, все хорошо, но на самом деле внедрение конкретно этой новой технологии обещает большие потрясения всем экономикам мира. Если, конечно, Штаты не остановят этот чрезмерно амбициозный проект. Попробуем разобраться, какой из этих вариантов вероятнее.

[miniorange_social_login]

Комментарии

5 Комментариев

Виталий Матин
04.04.2020
-
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.
    Роман Сотников
    08.04.2020
    -
    0
    +
    Анекдот: - Из чего состоит математический тензорный анализ? Да из того же что и обычные больничные анализы, только запах у него слегка "математический"...
Роман Сотников
02.04.2020
-
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???
    Alex Melni
    07.04.2020
    -
    0
    +
    Что ты есть такое?
      Роман Сотников
      07.04.2020
      -
      0
      +
      Мне затруднительно ответить на этот вопрос, проще сформулировать концепцию цифровой квантовой гравитации:)))
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: