В МФТИ нашли объяснение аномально быстрому выходу газа из ядерного топлива — Naked Science
25 марта
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.
Позавчера, 14:34
Илья Ведмеденко

Осведомленный источник ТАСС сообщил, что опытный образец перспективного стратегического бомбардировщика нового поколения соберут к 2023 году. Ранее стало известно, что в России изготовили первый образец двигателя для нового самолета.

10 часов назад
Илья Ведмеденко

Российские судостроители спустили на воду головное скоростное пассажирское судно на подводных крыльях «Метеор 120Р». Предполагается, что оно ни в чем не уступает зарубежным аналогам.

9 часов назад
Мария Азарова

Как показал эксперимент, простая пищевая добавка флаванолов какао помогает людям среднего возраста легче переносить физические упражнения средней интенсивности и повысить их уровень активности.

1 августа
Мария Азарова

Исследование микробиома кишечника, проведенное японскими и американскими учеными, предоставляет один из потенциальных ключей к долголетию и лечению бактериальных инфекций.

29 июля
Сергей Васильев

В Канаде обнаружили окаменелости, поразительно похожие на скелет морских губок и при этом на миллионы лет старше Кембрийского взрыва, когда появились современные типы животных.

Позавчера, 14:34
Илья Ведмеденко

Осведомленный источник ТАСС сообщил, что опытный образец перспективного стратегического бомбардировщика нового поколения соберут к 2023 году. Ранее стало известно, что в России изготовили первый образец двигателя для нового самолета.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
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: