Суперкомпьютеры и сила Архимеда позволили рассчитать диффузию нанополостей в ядерном топливе — Naked Science
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.
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, 12:00
2 минуты
Илья Ведмеденко

Как следует из обнародованных материалов, дальность действия перспективной американской системы гиперзвукового оружия Long Range Hypersonic Weapon превышает 2775 километров.

Вчера, 18:35
4 минуты
Ольга Иванова

NASA смоделировало ситуацию, при которой нашей планете угрожает крупное небесное тело, и выяснило, как много времени понадобится землянам, чтобы предотвратить катастрофу. Спойлер: мы все умрем.

11 часов назад
5 минут
Илья Ведмеденко

Военно-воздушные силы США намерены сократить число типов своих истребителей до четырех. Одной из главных «жертв» может стать знаменитый Raptor.

11 мая
11 минут
Мария Азарова

Американские ученые показали, что РНК коронавируса SARS-CoV-2 проходит через обратную транскрипцию, встраивается в геном инфицированной клетки и экспрессируется в виде «химерных» транскриптов, сливающихся с вирусными с клеточными последовательностями.

8 мая
37 минут
Александр Березин

Филипп Мандей основал целое направление исследований: он первым установил, что закисление океанов — последствие глобального потепления — угрожает обонянию и умению ориентироваться у морских рыб. Само собой, это создает угрозу их вымирания. Долго оставалось загадкой только одно: как существующие виды рыб перенесли серьезное закисление океана при прошлых изменениях климата. Теперь все проясняется: похоже, Мандей обнаружил эффект, которого никогда не было. Интересно, что вместе с ним его наблюдали еще 179 ученых — и теперь все они оказались в центре чудовищного скандала. Попробуем разобраться в деталях.

12 мая
7 минут
Мария Азарова

Исследователи впервые показали присутствие коронавируса в ткани полового члена спустя как минимум полгода с момента заражения. Судя по всему, распространенная у пациентов с Covid-19 дисфункция эндотелиальных клеток может приводить и к развитию импотенции.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: