В МФТИ нашли объяснение аномально быстрому выходу газа из ядерного топлива — Naked Science
7 минут
ФизТех

В МФТИ нашли объяснение аномально быстрому выходу газа из ядерного топлива

4.3

Ученые из МФТИ нашли возможное объяснение для аномально быстрого выхода газа из ядерного топлива. Суперкомпьютерное моделирование позволило обнаружить неожиданный механизм ускорения выхода газовых пузырей из кристаллической матрицы диоксида урана на поверхность. Этот результат указывает путь для устранения парадоксального расхождения в несколько порядков между существующими теоретическими моделями и результатами экспериментов.

Ядерный реактор / ©Getty images

Статья опубликована в Journal of Nuclear Materials. Диффузия газовых пузырей в процессе работы реактора — одна из важных тем ядерной энергетики, касающаяся радиационной безопасности. Пузыри из газообразных продуктов деления (преимущественно ксенона), скапливаясь в топливе, влияют на многие его свойства. Поэтому при проектировании и использовании реакторов важно знать, насколько быстро газ выходит из топлива.

Несмотря на активную работу различных научных групп в этой области, полное понимание механизмов диффузии газов в топливе пока отсутствует. Яркое свидетельство этого факта — недавняя серия работ французских ученых. Результаты, которые показывает предлагаемая ими модель, в десятки раз ниже измеряемых в специальных экспериментах. «Сам факт опубликования подобных противоречивых результатов и, по сути, неработающей теории говорит, с одной стороны, о высоком интересе научного сообщества к данной проблеме, а с другой — о необходимости поиска принципиально новых физических механизмов сверхбыстрой диффузии», — говорит профессор МФТИ Владимир Стегайлов.

Ученые из МФТИ под руководством Владимира Стегайлова смогли промоделировать диффузию нанопузырей ксенона в диоксиде урана на протяжении огромного по атомным масштабам времени — до трех микросекунд (три миллиарда шагов интегрирования). Это стало возможно благодаря оптимальному использованию суперкомпьютерных мощностей и современных кодов. В результате подобных рекордных молекулярно-динамических расчетов удалось непосредственно пронаблюдать броуновское движение пузыря и обнаружить принципиально новый механизм диффузии.

Пример расчетной ячейки: кристаллическая решетка диоксида урана (серые атомы — уран, красные — кислород), содержащая пузырь ксенона (желтые атомы). Черным цветом показаны атомы урана, вытесненные в междоузельные положения. Такой кластер междоузлий существенно ускоряет диффузию пузыря / ©Предоставлено авторами статьи

Ранее считалось, что чем выше концентрация газа, тем медленнее диффузия, так как газ мешает движению диоксида на поверхности пузыря. Авторы статьи показали, что при достижении некоторой концентрации газ выталкивает атомы кристаллической решетки в междоузельные положения. «Скапливаясь, междоузельные атомы образуют кластеры, быстро перемещающиеся вокруг пузыря. Пузырь и кластер, периодически подталкивая друг друга, двигаются существенно быстрее, чем пузырь сам по себе. Таким образом появляется новый эффект — ускорение диффузии газом», — поясняет один из авторов исследования — аспирант ФЭФМ МФТИ Александр Антропов. Открытый эффект поможет объяснить расхождение теории с экспериментом. Работа выполнена в лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.

Исследования лаборатории основаны на совмещении методов квантовой и классической механики, статистической физики и кинетики с вычислительными технологиями. Использование самых современных суперкомпьютеров и постоянное совершенствование численных методов очень важно для обеспечения высокой точности расчетов. Однако моделирование — это всего лишь инструмент, который полезен только в связке с теоретическим представлениями о природе происходящих процессов. Эта работа — пример того, как теория, вооруженная самыми современными вычислительными инструментами, позволяет находить неожиданные новые явления, «спрятанные» в деталях микроскопического строения материалов. 

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.
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.

16 апреля
8 минут
Александр Березин

Исследователь из Гарварда проанализировал вероятность полного оледенения всей поверхности — включая экватор — для планет земного типа. Оказалось, это частый сценарий. И он может быть причиной уничтожения всей сложной жизни. Работа показывает неожиданную уязвимость нашей планеты для такого хода событий. По расчетам, в последние 20 тысяч лет Земля прошла буквально в нескольких градусах от полного и постоянного оледенения, исключающего выживание крупных наземных многоклеточных.

Сегодня, 11:45
37 минут
Александр Березин

Витамины и минералы считают «хорошими» пищевыми добавками, а нитраты и нитриты натрия вместе с тартразином – «плохими». На самом деле, первые далеко не так полезны, а вторые не столь сильно вредны, как кажется. Наиболее же опасными из пищевых добавок следует считать так называемые непрямые. Рассмотрим подробнее: чего лучше избегать, а на что не стоит обращать особого внимания.

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.

16 апреля
8 минут
Александр Березин

Исследователь из Гарварда проанализировал вероятность полного оледенения всей поверхности — включая экватор — для планет земного типа. Оказалось, это частый сценарий. И он может быть причиной уничтожения всей сложной жизни. Работа показывает неожиданную уязвимость нашей планеты для такого хода событий. По расчетам, в последние 20 тысяч лет Земля прошла буквально в нескольких градусах от полного и постоянного оледенения, исключающего выживание крупных наземных многоклеточных.

Сегодня, 11:45
37 минут
Александр Березин

Витамины и минералы считают «хорошими» пищевыми добавками, а нитраты и нитриты натрия вместе с тартразином – «плохими». На самом деле, первые далеко не так полезны, а вторые не столь сильно вредны, как кажется. Наиболее же опасными из пищевых добавок следует считать так называемые непрямые. Рассмотрим подробнее: чего лучше избегать, а на что не стоит обращать особого внимания.

25 марта
36 минут
Александр Березин

Улыбающийся мультимиллиардер планирует понять, насколько эффективно мел в стратосфере защищает планету от солнечного света, и если результат хорош, распылить его там в гигантских количествах. Потенциально это результативная задумка: ученые давно показали, что так можно добиться полного покрытия Земли устойчивыми льдами — вплоть до экватора. Увы, идея Гейтса — плагиат, причем не лучший. Советский исследователь предложил похожее полвека назад с более эффективной серой. Интереснее другое: подобные мероприятия один раз едва не уничтожили человечество. Разбираемся в деталях, а также в том, грозит ли нам повторение.

31 марта
51 минута
Александр Березин

Самый зловещий оружейный проект всех времен и народов — термоядерная торпеда, предназначенная для радиационного поражения огромных площадей и создания искусственного цунами. Никогда до этого ни одна страна даже не заявляла о намерении сделать нечто настолько опасное для живых существ. Поэтому российский проект «Посейдон», обещающий именно это, вызывает бурю эмоций. Однако тщательный технический анализ показывает: в реальности он будет совсем не таким, как об этом пишут в СМИ. Даже если он предназначен для радиационного поражения обширных площадей, оно не будет долгим. А уже через год «омытые» им районы будут абсолютно безопасны. Тем не менее новая система действительно изменит стратегический баланс на планете — но не так, как все думают. Попробуем разобраться в ситуации подробнее.

26 марта
12 минут
Василий Парфенов

Похоже, история с американскими военными и «неопознанными воздушными феноменами» только набирает обороты. Новое расследование раскрыло многократные встречи нескольких кораблей Военно-морского флота Соединенных Штатов с аномально ведущими себя летательными аппаратами. Причем происходило это вне пределов досягаемости для любого коммерческого дрона или иного известного компактного БПЛА.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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: