Supercomputere og Archimedes-princippet gør det muligt at beregne nanoboblediffusion i nukleare brændstoffer

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi har foreslået en metode, der fremskynder beregningen af ​​nanoboblediffusion i faste materialer. Denne metode gør det muligt at skabe væsentligt mere præcise brændselsmodeller til atomkraftværker. Avisen blev udgivet i Journal of Nuclear Materials .

Hvorfor "ældes" atombrændsel?

Under reaktordrift, fission fragmenter, flyver med høje hastigheder gennem krystalgitteret af det nukleare brændselsmateriale, skabe forskellige defekter - ledige stillinger, interstitielle atomer, og deres klynger. At kombinere, sådanne ledige stillinger danner bobler, der fyldes op med fissionsgasprodukter under brændstofudbrænding. Diffusionen af ​​sådanne nanobobler påvirker i høj grad brændstoffets egenskaber og frigivelsen af ​​gasformige fissionsprodukter fra det.

Modellering til undsætning

Brændstofældningsprocesser er svære at undersøge på en eksperimentel måde. På den ene side, sådanne processer er meget langsomme, og på den anden side, indsamling af eksperimentelle data under reaktordriften er næsten umuligt. Derfor, integrerede modeller er i øjeblikket ved at blive udviklet for at gøre det muligt at beregne udviklingen af ​​brændstofmaterialeegenskaber under udbrændingsprocessen. Nanoboblediffusionskoefficienten er en af ​​nøgleparametrene i sådanne modeller. Denne undersøgelse er et fælles projekt mellem MIPT og Det Russiske Videnskabsakademis Fælles Institut for Høje Temperaturer.

Fra Schrödingers ligning til dynamikken i hundredtusindvis af atomer

Forskerne fra Laboratory of Supercomputer Methods in Condensed Matter Physics ved MIPT undersøgte atomistiske modeller af materialet, der omfatter hundredtusindvis af atomer. Brug af supercomputere, holdet beregnede deres baner over hundreder af millioner eller endda milliarder af integrationstrin. Gamma-uran interatomisk interaktionsmodel, der blev brugt, blev opnået af fysikerne i løbet af deres tidligere arbejde, baseret på løsning af det kvantemekaniske problem for et multielektronsystem.

MIPT doktorand Alexander Antropov, en medforfatter af papiret, forklarede:"For at nanoboblen skal bevæge sig, det er nødvendigt for gitteratomerne at krydse over til den anden side af boblen. Dette svarer til en luftboble, der bevæger sig i vand. Imidlertid, i faste materialer, denne proces er meget langsommere. Når du arbejder med projektet, vi demonstrerede, at der er en anden forskel:Porerne i gitteret har form af polyedre, og de stabile flader hæmmer diffusionsprocessen. I 1970'erne muligheden for en sådan effekt blev forudsagt teoretisk baseret på generelle overvejelser. Vores metode gør det muligt at opnå kvantitative resultater for et specifikt materiale."

"På grund af det faktum, at spredningen af ​​nanobobler er meget langsom, den eneste rigtige måde at modellere deres bevægelse på er ved på en eller anden måde at give dem et skub. Problemet, imidlertid, er hvordan skubber du et tomrum? Under arbejdet med projektet, vi foreslog og etablerede en metode, hvor en ekstern kraft virker på materialet omkring nanoporen. Boblen begynder at flyde opad, svarende til en boble i vand under den flydende kraft af Archimedes' princip. Den foreslåede metode er baseret på Einstein-Smoluchowski-relationen og gør diffusionskoefficientberegninger snesevis af gange hurtigere. I fremtiden, vi planlægger at bruge det til andre materialer, der er udsat for alvorlige strålingsskader i atomreaktorer, " kommenterede Vladimir Stegailov, MIPT professor, lederen af ​​MIPT Laboratory of Supercomputer Methods in Condensed Matter Physics.