Natuurkundigen van de Russische Academie van Wetenschappen hebben de mobiliteit van lijndefecten beschreven, of dislocaties, in uraniumdioxide. Dit zal toekomstige voorspellingen van het gedrag van splijtstof onder bedrijfsomstandigheden mogelijk maken. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in de Internationaal tijdschrift voor plasticiteit .

Kernbrandstof heeft een enorm potentieel, omdat het een van de meest energierijke bronnen is die beschikbaar is - een enkele uraniumdioxidebrandstofpellet die niet meer dan een paar gram weegt, geeft dezelfde hoeveelheid energie vrij in de reactorkern die wordt geproduceerd door enkele honderden kilo's antracietsteenkool of -olie te verbranden. Wanneer een kernreactor in bedrijf is, de brandstof in de pellets ondergaat uiterst complexe transformaties, veroorzaakt door zowel temperatuur als straling. Omdat de onderliggende mechanismen van deze transformaties nog niet volledig worden begrepen, we zijn nog steeds niet in staat om het volledige potentieel van nucleaire brandstof te benutten en het risico op ongevallen tot een minimum te beperken.

De mechanische eigenschappen van brandstofpellets, die een belangrijke rol spelen in de nucleaire techniek, worden bepaald door de beweging en interactie van dislocaties. Dislocatiemobiliteit in uraniumdioxide bij hoge temperaturen en onder stress is nooit in detail bestudeerd. Nu, recent onderzoek naar dislocatiedynamiek is uitgevoerd door Artem Lunev, Alexey Kuksin, en Sergey Starikov. In hun krant de wetenschappers rapporteren over een simulatie van dislocatiegedrag in uraniumdioxide, wat een van de meest voorkomende verbindingen is die als kernbrandstof in elektriciteitscentrales over de hele wereld wordt gebruikt.

Voor gebruik als nucleaire brandstof, uraniumdioxide wordt gevormd tot keramische pellets die bij hoge temperatuur worden gesinterd. Dit materiaal heeft een zeer hoog smeltpunt, is bestand tegen door straling veroorzaakte groei, en ervaart geen faseovergangen binnen een breed temperatuurbereik. theoretisch, een vast lichaam heeft een regelmatige, geordende structuur (kristallijne structuur), en er is een bepaalde aangewezen positie voor elk atoom om in te nemen. In werkelijkheid, perfecte kristallen bestaan ​​niet, omdat sommige atomen of groepen atomen altijd misplaatst zijn, het veranderen van de ideale opstelling. Met andere woorden, er zijn defecten (onvolkomenheden) in een echt kristal. Ze zijn er in verschillende soorten, namelijk, punt defecten, lijndefecten (dislocaties), vlakke defecten en bulkdefecten. Defecten kunnen zich in het kristal verplaatsen, en de aard van hun beweging hangt af van externe factoren. Het is bekend dat dislocatiedynamiek de brandstofeigenschappen bepaalt die relevant zijn voor nucleaire engineering (plasticiteit, splijtingsfragmenten diffusie).

In hun studie hebben de wetenschappers van het MIPT en het Joint Institute for High Temperatures gebruikten computationele methoden om een ​​model te ontwikkelen van een geïsoleerde dislocatie in een perfect uraniumdioxidekristal. Ze berekenden de variërende dislocatiesnelheid als functie van de temperatuur en de externe krachten die het kristal beïnvloeden.

De onderzoekers analyseerden simulatieresultaten in het kader van statistische fysica en kwamen tot een model dat het gedrag van dislocaties in een breed temperatuurbereik onder schuifspanning van verschillende groottes beschrijft. Met dit model kan de dislocatiesnelheid worden berekend op basis van de bekende temperatuur- en stressparameters.

Het door de Russische wetenschappers voorgestelde model zou binnenkort kunnen worden gebruikt om complexere systemen te simuleren en de macroscopische processen die plaatsvinden in brandstofpellets onder bedrijfsomstandigheden te bestuderen.

"Dit is een grote stap vooruit in de richting van het beschrijven van complexe processen als het zwellen en bros worden van splijtstof tijdens bedrijf door middel van alleen computersimulaties, " zegt Sergey Starikov, een co-auteur van de studie, een universitair hoofddocent bij MIPT, en een senior onderzoeker bij het Joint Institute for High Temperatures.

Computermodellering stelt wetenschappers in staat om individuele brandstofatomen te traceren en hun snelheden en de krachten die erop van invloed zijn te berekenen, samen met andere parameters. Hierdoor kunnen systemen met verschillende complexe configuraties worden gesimuleerd en bestudeerd. Computermodellering wordt veel gebruikt in situaties waar het uitvoeren van een experiment problematisch is. Onderzoek naar het gedrag van splijtstof is een van die gebieden. Dergelijke grootschalige berekeningen zijn afhankelijk van moderne supercomputers, omdat er enorme rekenkracht nodig is om de krachten te vinden die individuele atomen op elk moment in de tijd beïnvloeden.