Суперкомпьютерное моделирование позволило исследователям из МФТИ обнаружить неожиданный механизм ускорения выхода газовых пузырей из кристаллической матрицы диоксида урана на поверхность. Результат работы указывает путь для устранения парадоксального расхождения в несколько порядков между существующими теоретическими моделями и результатами экспериментов. Статья опубликована в Journal of Nuclear Materials.
Ученые из МФТИ смогли промоделировать диффузию нанопузырей ксенона в диоксиде урана на протяжении огромного по атомным масштабам времени — до трех микросекунд (три миллиарда шагов интегрирования). Это стало возможно благодаря оптимальному использованию суперкомпьютерных мощностей и современных кодов. В результате подобных молекулярно-динамических расчетов удалось непосредственно пронаблюдать броуновское движение пузыря и обнаружить принципиально новый механизм диффузии.
Диффузия газовых пузырей в процессе работы реактора — важный вопрос радиационной безопасности. Пузыри из газообразных продуктов деления, скапливаясь в топливе, влияют на многие его свойства. Поэтому при проектировании и использовании реакторов важно знать, насколько быстро газ выходит из топлива. Несмотря на активные исследования, полное понимание механизмов диффузии газов в топливе пока отсутствует, результаты моделирований часто расходятся с измеряемыми параметрами в десятки раз.
Ранее считалось, что, чем выше концентрация газа, тем медленнее диффузия, так как газ мешает движению диоксида на поверхности пузыря. Авторы статьи показали, что при достижении некоторой концентрации газ выталкивает атомы кристаллической решетки в междоузельные положения. Открытый эффект поможет объяснить расхождение теории с экспериментом.
«Скапливаясь, междоузельные атомы образуют кластеры, быстро перемещающиеся вокруг пузыря. Пузырь и кластер, периодически подталкивая друг друга, двигаются существенно быстрее, чем пузырь сам по себе. Таким образом появляется новый эффект — ускорение диффузии газом», — поясняет один из авторов исследования, аспирант ФЭФМ МФТИ Александр Антропов.
Исследования ученых основаны на совмещении методов квантовой и классической механики, статистической физики и кинетики с вычислительными технологиями. Использование самых современных суперкомпьютеров и постоянное совершенствование численных методов очень важно для обеспечения высокой точности расчетов.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
