Российские ученые раскрыли свойства циркония при экстремальных температурах
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.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Считается, что современная музыка стала простой и даже примитивной. Ученые из Италии математически проверили эту гипотезу и подтвердили, что даже самые сложные жанры со временем стали дрейфовать к простоте и повторам одних и тех же составляющих.
Большой взрыв мог быть не началом Вселенной, а моментом рождения самой гравитации в привычном нам виде. Новая модель предлагает иную, квантовую форму гравитации, которая могла запустить инфляцию и избавить космологию от проблемы сингулярности, где законы физики перестают работать.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
Поставщик элементов окололунной станции попытался сдать клиентам изделия, подвергшиеся коррозии еще до начала его монтажа. Об этом заявил новый глава NASA Джаред Айзекман. Защищая свою позицию, поставщик сообщил, что ранее он поставлял модули с коррозией для МКС, но они все равно до сих пор работают. NASA использует скандал для отказа от алогичного проекта Lunar Gateway, обитаемой космической станции на окололунной орбите.
Ученые, похоже, приблизились к разгадке происхождения пшеницы мягкой — той самой, из которой делают большую часть хлеба и другие мучные изделия. Согласно авторам нового исследования, она, предположительно, появилась 8000 лет назад на территории современной Грузии и Армении.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно