• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
16 января
ФизТех
2 778

Российские ученые раскрыли свойства циркония при экстремальных температурах

4.4

Исследователи из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН провели масштабное исследование, которое позволило впервые с высокой точностью определить теплофизические свойства циркония в жидком и сверхкритическом состояниях при экстремально высоких температурах.

В МФТИ раскрыли свойства циркония при экстремальных температурах / © Пресс-служба МФТИ

Статья опубликована в журнале Physical Review B. Работа, выполненная при поддержке Российского научного фонда, объединила передовые квантовые-механические расчеты методом квантовой молекулярной динамики и уникальные эксперименты по сверхбыстрому импульсному нагреву циркониевых образцов в камере высокого давления. Исследование стало важным вкладом в материаловедение и ядерную безопасность, предоставив данные, ранее недостижимые для точного экспериментального измерения.

С помощью расчетов «из первых принципов» ученые определили параметры критической точки циркония — состояния, где исчезает граница между жидкостью и газом. Критическая температура составила 9400 K, критическая плотность — 1380 кг/м3, а критическое давление — 3350 атмосфер. Эти результаты существенно уточняют представления о свойствах циркония при высоких температурах, поскольку ранее оценки критической температуры варьировались в диапазоне от 8000 до 17000 K.

«Современные методы моделирования на основе теории функционала плотности и мощные суперкомпьютеры позволяют воспроизводить физические условия, которые невозможно или крайне сложно воссоздать в лаборатории. Это особенно важно для материалов, таких как цирконий, используемых в экстремальных условиях, включая ядерные реакторы, — комментирует руководитель исследования Дмитрий Минаков, старший научный сотрудник лаборатории моделирования свойств материалов ОИВТ РАН. доцент кафедры физики высокотемпературных процессов МФТИ. — Мы не только уточнили знание ключевых высокотемпературных свойств циркония, но и показали, что наши теоретические расчеты находятся в согласии с новейшими экспериментальными данными. Это укрепляет доверие к первопринципным вычислительным подходам как к самостоятельному инструменту исследования».

Эксперименты, выполненные в ОИВТ РАН, включали сверхбыстрый импульсный нагрев проволочных образцов циркония электрическим током до температуры 6000 K при давлении выше 3000 атмосфер. Это позволило измерить энтальпию жидкой фазы и электрическое сопротивление циркония в ранее неизученных областях фазовой диаграммы. Экспериментальное подтверждение получила расчетная зависимость удельного сопротивления, предсказывающая пятикратный рост сопротивления циркония вблизи критической точки.

«Мы впервые продемонстрировали синергию этих двух подходов — экспериментального и теоретического — при исследовании теплофизических свойств, — подчеркивает Михаил Шейндлин, заведующий лабораторией экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН. — Наш экспериментальный метод нагрева металлических образцов циркония, помещенных в камеру с давлением инертного газа в несколько тысяч атмосфер, импульсом тока высокой плотности позволяет получить уникальные высокотемпературные данные.

Особенностью используемой техники является прецизионное измерение температуры образца с использованием пирометра с уникальными характеристиками. Полученные экспериментальные данные затем дополняются результатами квантово-механических расчетов. Такой подход не только позволяет повысить надежность результатов, но и дает возможность изучать явления, выходящие за пределы возможностей современного эксперимента».

Исследование также выявило ряд важных особенностей поведения циркония при высоких температурах. Так, изохорная теплоемкость резко увеличивается вблизи критической точки, а параметр Грюнайзена, наоборот, снижается ниже идеально-газового значения. Нормальная спектральная излучательная способность циркония остается практически постоянной до 4000 K, но затем увеличивается на 50 процентов при приближении к критической температуре. И это явление необходимо учитывать в температурных измерениях пирометрическими методами, что и было сделано в этой работе. Наконец, в этом исследовании впервые были получены данные о скорости звука в жидком цирконии.

«Вычислительные методы открывают новые горизонты в понимании свойств материалов, — добавляет Павел Левашов, заведующий кафедрой физики высокотемпературных процессов МФТИ. — Наши расчеты позволили построить табличное уравнение состояния циркония в жидком и сверхкритическом состоянии, а также реконструировать критическую изобару и оценить положение кривой равновесия жидкость-пар до критической точки. Эти данные важны для развития перспективных высокотемпературных технологий».

Полученные результаты имеют прикладное значение для понимания высокотемпературного поведения материалов при взаимодействии с лазерным излучением, а также для моделирования гипотетических аварийных ситуаций в атомной энергетике. Знание фазовых переходов и критических свойств циркония необходимо для разработки новых конструкционных материалов, способных работать в экстремальных условиях.

«Эта работа демонстрирует, насколько мощным может быть взаимодействие эксперимента и теории, — заключает Дмитрий Минаков. — Мы открыли новую главу в изучении циркония, решив важные вопросы, которые оставались открытыми десятилетиями. Но это только начало: подходы, разработанные в рамках этого проекта, могут быть применены к другим материалам, что открывает широкие перспективы для материаловедения и технологий будущего».

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

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.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 18:28
Evgenia

Ученые, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК), обнаружили в результатах экспериментов неожиданные данные. Они могут свидетельствовать о существовании топония, связанного состояния топ-кварка и его антикварка.

Позавчера, 15:35
Елена

Международная группа исследователей из Китая, США и Германии разработала метаматериал с выдающейся механической емкостью хранения энергии. Придать ему уникальные характеристики удалось за счет структуры — скрученных гибких стержней, деформирующихся по спирали.

Вчера, 14:31
Березин Александр

Международная группа ученых попробовала определить, насколько сократилось население Европы 12,7 тысячи лет назад, когда на планете внезапно наступило тысячелетнее похолодание. Оказалось, население континента какое-то время составляло считаные тысячи человек.

2 апреля
Березин Александр

Известный американский отраслевой обозреватель Эрик Бергер взял интервью у экипажа космического корабля Boeing, из-за технических проблем которого два астронавта задержались на орбите на девять месяцев вместо одной недели. Детали, которые они озвучили, указывают на серьезные проблемы Starliner, о которых ранее умалчивали. Люди провели немало времени при глубоко нештатной температуре. При слегка другом сценарии миссии экипаж корабля мог погибнуть. Официальные заявления NASA и Boeing сразу после июньского полета к МКС, судя по интервью, были заведомо неправдивыми.

31 марта
Татьяна

Два ключевых события сыграли решающую роль в формировании генетического профиля современных европейских народов. Первое связано с приходом ранних фермеров из Анатолии примерно восемь тысяч лет назад, второе — масштабная миграция на запад носителей ямной степной культуры, начавшаяся пять тысяч лет назад. Однако ученые видят множество отличий от общей картины в разных регионах. В новой работе они проанализировали ДНК древних жителей самого северо-запада Европы и обнаружили более тесную связь с охотниками-собирателями, чем где бы то ни было.

1 апреля
Мария Азарова

Ученые из Австралии исследовали влияние сексуальной активности, а именно — самоудовлетворения и полового контакта с партнером — на объективные и субъективные параметры сна, в том числе на мотивацию поутру и готовность к новому дню.

6 марта
Юлия Трепалина

В двойственных, или обратимых, изображениях зритель может увидеть разные объекты в зависимости от того, на каких деталях концентрируется его внимание. Среди известных примеров таких рисунков — иллюзия «кролик-утка», сочетающая двух животных, и обратимая ваза (или ваза Рубина), которая может казаться двумя силуэтами лиц, если сосредоточиться на фоне. В соцсетях и популярных СМИ часто публикуют подобные картинки, утверждая, что по тому, какое изображение человек видит в первую очередь, можно судить о его личностных чертах и особенностях мышления. Двое психологов из Великобритании недавно проверили, так ли это на самом деле.

15 марта
Юлия Трепалина

Когда пара расстается, многие люди продолжают испытывать чувства к своим бывшим. Если разрыв произошел по инициативе другой стороны и отношения длились много лет, полностью «забыть» еще недавно близкого человека может быть непросто. Существует мнение, что и после расставания привязанность к экс-партнерам в какой-то мере сохраняется. Впрочем, согласно другой точке зрения, со временем эта эмоциональная связь ослабевает и утрачивается. Разобраться, как происходит на самом деле и сколько времени может потребоваться на полный эмоциональный разрыв с бывшими возлюбленными, взялись психологи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (США).

18 марта
Илья

Масштабный анализ геномов показал, что вид Homo sapiens возник в результате смешения двух древних популяций. Они разделились полтора миллиона лет назад, а затем воссоединились до расселения по миру.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

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

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

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