Суперкомпьютеры и сила Архимеда позволили рассчитать диффузию нанополостей в ядерном топливе

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.

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.

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».

«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.

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.