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, 13:36
Василий Парфенов

Вопрос активности венерианских вулканов занимает планетологов давно. Если они до сих пор извергаются или делали это недавно по геологическим меркам, то недра второй планеты от Солнца по-прежнему активны. Однако получить достоверные данные подтверждающие или опровергающие активность вулканов на Венере до сих пор не получалось. Зато недавно ученые получили еще одно пусть и косвенное, но вполне надежное свидетельство «бурной жизни» геологических формирований на «сестре Земли».

Вчера, 12:13
Сергей Васильев

Экзопланета Gliese 367b вращается крайне близко к своей звезде, делая полный оборот за несколько земных дней: из-за тесного соседства она потеряла легкие оболочки, и большую часть ее занимает плотное ядро.

Вчера, 13:57
Алиса Гаджиева

Археологи обнаружили, что крупный торговый центр на севере Франции построен на месте некрополя IV века.

3 декабря
Сергей Васильев

Биологи обнаружили, что обширные скопления пластика позволяют прибрежным животным осваивать открытое море, прежде для них недоступное, и распространяться по всем уголкам океана.

Позавчера, 13:36
Василий Парфенов

Вопрос активности венерианских вулканов занимает планетологов давно. Если они до сих пор извергаются или делали это недавно по геологическим меркам, то недра второй планеты от Солнца по-прежнему активны. Однако получить достоверные данные подтверждающие или опровергающие активность вулканов на Венере до сих пор не получалось. Зато недавно ученые получили еще одно пусть и косвенное, но вполне надежное свидетельство «бурной жизни» геологических формирований на «сестре Земли».

3 декабря
Алиса Гаджиева

У погибшего почти 70 миллионов лет назад хищника была трудная жизнь: помимо обычного набора проблем, таких как схватки с сородичами, он страдал от зубной боли.

12 ноября
Мария Азарова

Кошки оказывались сбиты с толку, когда их человек, как им казалось, «телепортировался» в новое, неожиданное место. Однако они не реагировали таким же образом на чужих людей или других животных.

3 декабря
Сергей Васильев

Биологи обнаружили, что обширные скопления пластика позволяют прибрежным животным осваивать открытое море, прежде для них недоступное, и распространяться по всем уголкам океана.

25 ноября
НИУ ВШЭ

Мобильные ученые публикуются в индексируемых журналах в два раза чаще. К такому выводу пришли исследователи из НИУ ВШЭ.

[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: