• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
06.02.2023
ФизТех
1 758

В МФТИ рассчитали плавление сложных металлов, используемых в атомной промышленности

4.7

Ученые из МФТИ впервые без привлечения экспериментальных данных рассчитали кривые плавления циркония и гафния, что имеет решающее значение для понимания тепловых свойств и фазовых диаграмм этих металлов и обеспечит их безопасное применение в ядерной энергетике. Команда также сравнила свои результаты с экспериментальными данными по плавлению циркония и обнаружила хорошее согласие.

В МФТИ рассчитали плавление сложных металлов, используемых в атомной промышленности / ©Getty images / Автор: Александр Литвинов

Работа опубликована в журнале Physical Review B. Цирконий и гафний являются переходными металлами и входят в одну группу таблицы Менделеева, что делает их химические свойства очень похожими друг на друга. Благодаря высокой коррозионной стойкости в воде при высоких температурах эти металлы являются важными материалами для конструкций водоохлаждаемых ядерных реакторов: цирконий как конструкционный материал оболочек тепловыделяющих элементов из-за малого сечения поглощения тепловых нейтронов, а гафний, в свою очередь, — как материал регулирующих стержней благодаря способности исключительно эффективно захватывать тепловые нейтроны.

Для решения целого ряда задач в ядерной энергетике, аэрокосмической промышленности и материаловедении (эти металлы широко используются во многих отраслях) необходимо знать их кривые плавления — зависимость между температурой и давлением, при которых металл переходит из твердого в жидкое состояние. Эти данные закладываются в модели, с помощью которых рассчитываются штатные и аварийные режимы работы двигателей и энергоустановок.

С точки зрения теории, плавление в металле наступает, когда под воздействием тепла его атомы начинают колебаться настолько сильно, что твердое тело превращается в жидкое, — такой критерий был предложен Фердинандом фон Линдеманом в 1910 году. Обычно для расчета кривых плавления с помощью критерия Линдемана динамика ионов в кристаллической решетке рассматривается как колебания частиц на пружине (в квазигармоническом приближении), что дает хорошие результаты, например, для алюминия или меди. Однако этот традиционный метод не работает для гафния и циркония из-за более сложного механизма колебаний ионов (сильных эффектов ангармонизма) в этих металлах. Чтобы решить эту проблему, ученые провели моделирование металлов с помощью квантовой молекулярной динамики – этот метод позволяет рассчитывать траектории ионов с учетом квантовых эффектов.

Дмитрий Минаков, доцент МФТИ, рассказывает: «Для изучения кривых плавления гафния и циркония мы сделали уникальные расчеты на суперкомпьютере с использованием метода квантовой молекулярной динамики. Для детектирования плавления мы применили хорошо известный критерий Линдемана, в котором средние смещения ионов от положений равновесия рассчитывались напрямую из моделирования».

Проведенные исследования показывают, что критерий Линдемана может быть использован для прогнозирования плавления и в случае сложных колебаний ионов, но амплитуду колебаний нужно рассчитывать непосредственно из ионных траекторий.

Павел Левашов, заместитель заведующего кафедрой физики высокотемпературных процессов МФТИ, подводит итог: «Мы также впервые представили кривую плавления гафния вплоть до 225 ГПа. Это позволило заполнить пробел в знаниях, так как до настоящего времени не было никаких данных о плавлении гафния при давлениях выше атмосферного». В целом, данное исследование обеспечивает более глубокое понимание теплофизических свойств гафния и циркония и предлагает новый метод для расчета кривых плавления. Результаты работы, несомненно, найдут применения в ядерной энергетике и технологиях, связанных с металлообработкой при высоких давлениях.

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
Предстоящие мероприятия
17 мая
Игорь Байдов

Не успели утихнуть разговоры об испытании нового британского лазерного оружия, как правительство этой страны выпустило очередной пресс-релиз, в котором рассказало о работе над еще одной установкой против беспилотников. Эксперты считают, что это оружие — альтернатива дорогостоящим ракетам. Стоимость выстрела из него составит чуть больше 10 центов.

8 часов назад
Александр Березин

Миссия NS-25 стала первой после длительной приостановки полетов New Shepard — полностью многоразового суборбитального носителя и корабля. Джефф Безос, владелец Amazon, 24 года назад создавший компанию Blue Origin, некогда планировал, что этот носитель станет базой для серьезной выручки от космического туризма.

17 мая
Ольга Иванова

Умение пользоваться орудиями труда у морских выдр известно давно, однако реальную пользу для их организма измерить непросто. Американские ученые впервые узнали, какие преимущества дает выдрам такой подход. Особенно это касается самок.

17 мая
Игорь Байдов

Не успели утихнуть разговоры об испытании нового британского лазерного оружия, как правительство этой страны выпустило очередной пресс-релиз, в котором рассказало о работе над еще одной установкой против беспилотников. Эксперты считают, что это оружие — альтернатива дорогостоящим ракетам. Стоимость выстрела из него составит чуть больше 10 центов.

8 часов назад
Александр Березин

Миссия NS-25 стала первой после длительной приостановки полетов New Shepard — полностью многоразового суборбитального носителя и корабля. Джефф Безос, владелец Amazon, 24 года назад создавший компанию Blue Origin, некогда планировал, что этот носитель станет базой для серьезной выручки от космического туризма.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

24 апреля
Ольга Иванова

Ученые из Австралии и Канады пришли к выводу, что подавляющее большинство одиноких людей не вступает в романтические отношения из-за страха. С одной стороны ими руководят опасения, что их отвергнут, с другой — что они потеряют свою независимость.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

3 мая
Василий Парфенов

Ледяной покров Антарктики претерпевает значительные изменения на протяжении года, и его поведение хорошо изучено в общем. Но некоторые локальные аномалии объяснить не получается вот уже несколько десятилетий. Одна из них — полынья возвышения Мод, или полынья моря Уэдделла, которая появляется нерегулярно на одном и том же месте. Международная команда океанологов, наконец, смогла разгадать механизмы ее образования.

[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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: