Wetenschappers van het MIPT hebben een mogelijke verklaring gevonden voor het abnormaal snel vrijkomen van gas uit nucleaire brandstof. Supercomputersimulaties hebben een onverwacht mechanisme blootgelegd om het ontsnappen van gasbellen uit de uraniumdioxidekristalmatrix naar het oppervlak te versnellen. Het resultaat wijst de weg om de paradoxale discrepantie van verschillende ordes van grootte tussen bestaande theoretische modellen en experimentele resultaten te elimineren. De krant is gepubliceerd in de Journal of Nuclear Materials .

De diffusie van gasbellen tijdens reactorbedrijf is een van de belangrijke onderwerpen in kernenergie met betrekking tot stralingsveiligheid. Bellen van gasvormige splijtingsproducten (voornamelijk xenon), zich ophopen in de brandstof, veel van zijn eigenschappen beïnvloeden. Daarom, Het is belangrijk, bij het ontwerp en de werking van reactoren, om te weten hoe snel het gas uit de brandstof ontsnapt.

Ondanks het actieve werk van verschillende wetenschappelijke groepen op dit gebied, er is nog steeds geen volledig begrip van de mechanismen van diffusie van gassen in brandstoffen. De recente reeks werken van Franse onderzoekers is hiervan een treffend bewijs. De resultaten van hun voorgestelde model zijn tientallen keren lager dan die gemeten in speciale experimenten. "Het feit dat zulke tegenstrijdige resultaten en, in feite, onwerkbare theorie zijn gepubliceerd, toont aan, aan de ene kant, de grote belangstelling van de wetenschappelijke gemeenschap voor dit probleem en, op de andere, de noodzaak om fundamenteel nieuwe fysieke mechanismen voor ultrasnelle diffusie te vinden, ", zegt MIPT-professor Vladimir Stegailov.

De MIPT-wetenschappers onder leiding van Vladimir Stegailov waren in staat om de diffusie van xenon-nanobellen in uraniumdioxide te simuleren over een atomaire tijdsperiode van maximaal drie microseconden (drie miljard integratiestappen). Dit werd mogelijk gemaakt door het optimale gebruik van supercomputerkracht en moderne codes. Dergelijke recordbrekende moleculaire dynamica-berekeningen hebben directe observatie van de Brownse beweging van de bel mogelijk gemaakt en de ontdekking van een fundamenteel nieuw diffusiemechanisme mogelijk gemaakt.

Eerder werd gedacht dat hoe hoger de gasconcentratie, hoe langzamer de diffusie, omdat het gas de beweging van het dioxide op het oppervlak van de bel verstoort. De auteurs toonden aan dat bij het bereiken van een bepaalde concentratie het gas de atomen van het kristalrooster naar inter-nodale posities duwt.

"Door te accumuleren, de inter-nodale atomen vormen clusters die snel rond de bel bewegen. De bubbel en het cluster duwen elkaar periodiek en bewegen dus aanzienlijk sneller dan de bubbel alleen. Zo verschijnt een nieuw effect - versnelling van diffusie door gas", legt Alexander Antropov uit, een postdoctorale student aan FEFM (Phystech School of Electronics, Photonics and Molecular Physics bij MIPT) en een van de auteurs van de studie. Het ontdekte effect zal de discrepantie tussen theorie en experiment helpen verklaren.