Forskere beskriver mobiliteten af ​​linjedefekter i urandioxid

Fysikere fra det russiske videnskabsakademi har beskrevet mobiliteten af ​​linjedefekter, eller dislokationer, i urandioxid. Dette vil muliggøre fremtidige forudsigelser af atombrændselsadfærd under driftsbetingelser. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i International Journal of Plasticity .

Atombrændstof har et enormt potentiale, da det er en af ​​de mest energitætte ressourcer, der er til rådighed-en enkelt urandioxidbrændstofpille, der ikke vejer mere end et par gram, frigiver den samme mængde energi i reaktorkernen, der produceres ved afbrænding af flere hundrede kilo antracitkul eller olie. Når en atomreaktor er i drift, brændstoffet i pillerne undergår ekstremt komplekse transformationer forårsaget af både temperatur og stråling. Fordi de underliggende mekanismer for disse transformationer endnu ikke er fuldt ud forstået, vi er stadig ikke i stand til at realisere det fulde potentiale for atombrændstof og reducere risikoen for ulykker til et minimum.

Brændstofpellets mekaniske egenskaber, som spiller en vigtig rolle inden for atomteknik, bestemmes af bevægelser og interaktion mellem dislokationer. Dislokationsmobilitet i urandioxid ved høje temperaturer og under stress er aldrig blevet undersøgt i detaljer. ny forskning i dislokationsdynamik er blevet udført af Artem Lunev, Alexey Kuksin, og Sergey Starikov. I deres papir, forskerne rapporterer om en simulering af dislokationsadfærd i urandioxid, som er en af ​​de mest udbredte forbindelser, der bruges som atombrændstof på kraftværker over hele kloden.

Skal bruges som atombrændstof, urandioxid dannes til keramiske pellets, der sintres ved en høj temperatur. Dette materiale har et meget højt smeltepunkt, er resistent over for stråleinduceret vækst, og oplever ikke faseovergange inden for et bredt temperaturområde. Teoretisk set en fast krop har en regelmæssig, ordnet struktur (krystallinsk struktur), og der er en bestemt udpeget position for hvert atom at indtage. I virkeligheden, perfekte krystaller findes ikke, fordi nogle atomer eller grupper af atomer altid er malplacerede, ændre det ideelle arrangement. Med andre ord, der er defekter (ufuldkommenheder) i en egentlig krystal. De findes i flere typer, dvs. punktfejl, linjedefekter (dislokationer), plane defekter og bulkfejl. Defekter kan bevæge sig inden i krystallen, og arten af ​​deres bevægelse afhænger af eksterne faktorer. Dislokationsdynamik er kendt for at bestemme brændstofegenskaber, der er relevante for atomteknik (plasticitet, fissionsfragmenter diffusion).

I deres undersøgelse, forskerne fra MIPT og Joint Institute for High Temperatures brugte beregningsmetoder til at udvikle en model for en isoleret forskydning i en perfekt urandioxidkrystal. De beregnede den varierende dislokationshastighed som en funktion af temperaturen og de ydre kræfter, der påvirker krystallen.

Forskerne analyserede simuleringsresultater inden for rammerne af statistisk fysik og opnåede en model, der beskriver opførelsen af ​​forskydninger i et bredt temperaturområde under forskydningsspænding af forskellige størrelser. Denne model muliggør beregning af forskydningshastighed baseret på de kendte temperatur- og spændingsparametre.

Modellen foreslået af de russiske forskere kunne snart bruges til at simulere mere komplekse systemer og studere de makroskopiske processer, der forekommer i brændstofpiller under driftsbetingelser.

"Dette er et stort fremskridt i retning af at beskrive processer så komplekse som hævelse og sprødhed af atombrændstof under drift alene ved hjælp af computersimuleringer, "siger Sergey Starikov, en medforfatter til undersøgelsen, lektor ved MIPT, og en seniorforsker ved Joint Institute for High Temperatures.

Computermodellering gør det muligt for forskere at spore individuelle brændstofatomer og beregne deres hastigheder og de kræfter, der påvirker dem, sammen med andre parametre. Dette gør det muligt at simulere og studere systemer med forskellige komplekse konfigurationer. Computermodellering er meget brugt i situationer, hvor det er problematisk at udføre et eksperiment. Forskning i nukleart brændselsadfærd er et af disse områder. Sådanne store beregninger er afhængige af moderne supercomputere, da der kræves massiv regnekraft for at finde de kræfter, der påvirker de enkelte atomer i hvert tidspunkt.