Физики из МФТИ создали новый вычислительный метод, который позволил ускорить расчет диффузии нанополостей в твердых материалах. С помощью него можно уточнить модели топлив для ядерных энергетических установок. Работа опубликована в Journal of Nuclear Materials.

В процессе работы ядерного реактора осколки от деления топлива, развивая высокие скорости, могут воздействовать на его кристаллическую решетку, образуя дефекты — вакансии, межузельные атомы и их комбинации, например дефекты по Шотки или по Френкелю. Вакансии имеют свойство концентрироваться и создавать пустоты, которые в процессе выгорания топлива заполняются газообразными продуктами деления. Диффузия подобных нанопузырьков отражается на свойствах топлива и его эксплуатационных характеристиках.

Процессы старения ядерного топлива исследовать достаточно трудно. Во-первых, это связано с низкой скоростью таких реакций, а во-вторых — с высокой сложностью получения данных о них в ходе работы ядерного реактора. Поэтому в настоящее время разрабатываются комплексные модели, позволяющие рассчитывать эволюцию свойств топлива в процессе его выгорания. В ходе работы этих моделей рассчитывается один из самых важных параметров процесса — коэффициент диффузии нанопузырей.

В новом исследовании российских ученых рассмотрены атомистические модели материала, содержащего сотни тысяч атомов. Используя суперкомпьютер, ученые смогли посчитать траектории движения этих атомов на протяжении сотен миллионов и даже миллиардов шагов интегрирования. В этом исследовании ученые использовали созданную ранее модель межатомного взаимодействия гамма-фазы урана на основе решения квантово-механической задачи для многоэлектронной системы.

«Чтобы нанопузырек мог переместиться, необходим переход атомов кристаллической решетки с одной его стороны на другую. Это похоже на движение пузырька воздуха в воде, однако в твердом теле этот процесс протекает гораздо медленнее. При работе над исследованием мы показали, что есть еще одно отличие: поры в кристаллической решетке принимают форму многогранников и устойчивые грани тормозят процесс диффузии. 50 лет назад возможность существования такого эффекта была теоретически предсказана из общих соображений. Но теперь мы смогли получить количественные результаты для конкретного материала», — подводит итог один из авторов работы, аспирант МФТИ Александр Антропов.