Физики провели описание перемещения дислокаций – линейных дефектов кристаллической структуры – в ядерном топливе, состоящем из диоксида урана. Это позволит в будущем прогнозировать изменения, происходящие с топливом в процессе эксплуатации.
Физики из МФТИ и ОИВТ РАН описали подвижность линейных дефектов кристаллической структуры — дислокаций — в ядерном топливе на основе диоксида урана, что позволит в дальнейшем предсказывать поведение топлива в ходе эксплуатации. Полученные результаты были опубликованы в International Journal of Plasticity.
Ядерное топливо обладает колоссальным потенциалом, поскольку считается одним из наиболее энергоёмких ресурсов: работающая в активной зоне реактора таблетка диоксида урана небольшой массы высвобождает энергию, сопоставимую с тепловой энергией, получаемой от сжигания сотен килограммов антрацита или нефти. В процессе эксплуатации топливный материал подвергается сложным изменениям, вызванным воздействием радиации и высоких температур. В настоящее время эти изменения изучены не полностью, что ограничивает возможности реализации полного потенциала топлива и снижения вероятности аварий.
Механические свойства ядерного топлива, в частности, зависят от перемещения и взаимодействия дислокаций, что играет важную роль в ядерной инженерии. Подвижность дислокаций в диоксиде урана при высоких температурах и нагрузках до сих пор недостаточно изучена. Данная статья Артёма Лунёва, Алексея Куксина и Сергея Старикова посвящена исследованию этой характеристики дислокаций в диоксиде урана — ключевого соединения, используемого в качестве ядерного топлива во всём мире. Диоксид урана в реакторах используется в виде спечённых таблеток.
Материал отличается высокой температурой плавления, не подвержен значительному радиационному росту и не демонстрирует фазовых переходов в широком диапазоне температур. Согласно теории, твёрдые тела обладают чёткой, упорядоченной структурой, известной как кристаллическая структура, в которой каждый атом занимает строго определённое положение. Однако, в реальности идеальные кристаллы не встречаются. Это указывает на то, что некоторые атомы или группы атомов занимают нетипичные позиции, что нарушает идеальный порядок.
Появление дефектов приводит к нарушению кристаллической структуры. Эти дефекты могут быть точечными (нуль-мерными), линейными (например, дислокации), двумерными или объемными. Перемещение дефектов внутри кристалла зависит от внешних факторов. Характер движения линейных дефектов (дислокаций) определяет такие важные для ядерной инженерии свойства, как пластичность, ползучесть и особенности диффузии осколков деления).
С использованием вычислительных методов ученые из ОИВТ РАН и МФТИ разработали модель изолированной дислокации в идеальном кристалле диоксида урана. На основе этой модели было рассчитано, как меняется скорость перемещения дислокации в зависимости от температуры и внешних сил, действующих на кристалл.
Анализ результатов моделирования, выполненного в области статистической физики, позволил разработать модель, описывающую поведение дислокаций при различных сдвиговых напряжениях и в широком температурном диапазоне. Теперь, располагая информацией о требуемых параметрах, можно вычислить скорость перемещения дефекта.
Используя разработанную модель, в скором времени появится возможность проводить моделирование более крупных систем и изучать процессы, протекающие на макроуровне в настоящих топливных таблетках. Благодаря компьютерному моделированию можно будет работать с атомами напрямую, получая данные об их скорости, о силах, воздействующих на них, и других характеристиках.
Это даёт возможность создавать и изучать системы со сложными структурами. Компьютерное моделирование находит широкое применение в тех случаях, когда проведение эксперимента представляется затруднительным по разным причинам. Исследование поведения и свойств ядерного топлива относится именно к такой области. Для выполнения подобных расчётов требуются значительные вычислительные ресурсы, поэтому они производятся на современных суперкомпьютерах, поскольку в каждый момент времени вычисляются силы, действующие на каждый атом.
«Мы совершили значительный прогресс в изучении таких сложных процессов, как набухание и охрупчивание ядерного топлива в условиях эксплуатации, используя исключительно компьютерное моделирование», — заявил Сергей Стариков, один из авторов статьи, доцент МФТИ и старший научный сотрудник ОИВТ.