Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology hebben een methode voorgesteld die de berekening van de diffusie van nanobellen in vaste materialen versnelt. Deze methode maakt het mogelijk om aanzienlijk nauwkeurigere brandstofmodellen te maken voor kerncentrales. De krant is gepubliceerd in de Journal of Nuclear Materials .

Waarom 'veroudert' kernbrandstof?

Tijdens de werking van de reactor, splijtingsfragmenten, met hoge snelheden door het kristalrooster van het splijtstofmateriaal vliegen, verschillende gebreken veroorzaken - vacatures, interstitiële atomen, en hun clusters. combineren, dergelijke vacatures vormen bellen die zich vullen met splijtingsgasproducten tijdens het uitbranden van brandstof. De diffusie van dergelijke nanobellen heeft een aanzienlijke invloed op de eigenschappen van de brandstof en het vrijkomen van gasvormige splijtingsproducten daaruit.

Modelleren om te redden

Brandstofverouderingsprocessen zijn moeilijk experimenteel te onderzoeken. Aan de ene kant, dergelijke processen zijn erg traag, en aan de andere kant, het verzamelen van experimentele gegevens tijdens de werking van de reactor is bijna onmogelijk. Daarom, Er worden momenteel geïntegreerde modellen ontwikkeld om de evolutie van de eigenschappen van brandstofmateriaal tijdens het burn-outproces te kunnen berekenen. De diffusiecoëfficiënt van nanobellen is een van de belangrijkste parameters in dergelijke modellen. Deze studie is een gezamenlijk project van het MIPT en het Joint Institute for High Temperatures van de Russische Academie van Wetenschappen.

Van de vergelijking van Schrödinger tot de dynamiek van honderdduizenden atomen

De onderzoekers van het Laboratory of Supercomputer Methods in Condensed Matter Physics van het MIPT onderzochten atomaire modellen van het materiaal dat honderdduizenden atomen bevat. Met behulp van supercomputers, het team berekende hun trajecten over honderden miljoenen of zelfs miljarden integratiestappen. Het gebruikte gamma-uraaninteratomaire interactiemodel werd door de natuurkundigen verkregen in de loop van hun vorige werk, gebaseerd op het oplossen van het kwantummechanische probleem voor een multi-elektronensysteem.

MIPT-promovendus Alexander Antropov, een co-auteur van het artikel, legde uit:"Om de nanobel te laten bewegen, het is nodig dat de roosteratomen oversteken naar de andere kant van de bel. Dit is vergelijkbaar met een luchtbel die in water beweegt. Echter, in vaste materialen, dit proces is veel langzamer. Bij het werken aan het project, we hebben aangetoond dat er nog een ander verschil is:de poriën in het rooster hebben de vorm van veelvlakken en de stabiele vlakken remmen het diffusieproces. In de jaren zeventig, de mogelijkheid van een dergelijk effect werd theoretisch voorspeld op basis van algemene overwegingen. Onze methode maakt het mogelijk om kwantitatieve resultaten te verkrijgen voor een specifiek materiaal."

"Omdat de diffusie van nanobellen erg langzaam gaat, de enige echte manier om hun beweging te modelleren, is door ze op de een of andere manier een duwtje in de rug te geven. Het probleem, echter, is hoe duw je een leegte? Tijdens het werken aan het project, we hebben een methode voorgesteld en vastgesteld, waarin een externe kracht inwerkt op het materiaal rond de nanoporie. De bel begint omhoog te drijven, vergelijkbaar met een bel in water onder de drijvende kracht van het principe van Archimedes. De voorgestelde methode is gebaseerd op de Einstein-Smoluchowski-relatie en maakt berekeningen van diffusiecoëfficiënten tientallen keren sneller. In de toekomst, we zijn van plan het te gebruiken voor andere materialen die worden blootgesteld aan ernstige stralingsschade in kernreactoren, " merkte Vladimir Stegailov op, MIPT-professor, het hoofd van het MIPT-laboratorium voor supercomputermethoden in de fysica van de gecondenseerde materie.