Физики нашли объяснение аномальному выходу газа из ядерного топлива

Ученые из МФТИ нашли возможное объяснение для аномально быстрого выхода газа из ядерного топлива. Суперкомпьютерное моделирование позволило обнаружить неожиданный механизм ускорения выхода газовых пузырей из кристаллической матрицы диоксида урана на поверхность. Этот результат указывает путь для устранения парадоксального расхождения в несколько порядков между существующими теоретическими моделями и результатами экспериментов. Статья опубликована в Journal of Nuclear Materials.

Диффузия газовых пузырей в процессе работы реактора — одна из важных тем ядерной энергетики, касающаяся радиационной безопасности. Пузыри из газообразных продуктов деления (преимущественно ксенона), скапливаясь в топливе, влияют на многие его свойства. Поэтому при проектировании и использовании реакторов важно знать, насколько быстро газ выходит из топлива.

Несмотря на активную работу различных научных групп в этой области, полное понимание механизмов диффузии газов в топливе пока отсутствует. Ярким свидетельством этого факта является недавняя серия работ французских ученых [1] [2]. Результаты, которые показывает предлагаемая ими модель, в десятки раз ниже измеряемых в специальных экспериментах. «Сам факт опубликования подобных противоречивых результатов и, по сути, неработающей теории говорит, с одной стороны, о высоком интересе научного сообщества к данной проблеме, а с другой — о необходимости поиска принципиально новых физических механизмов сверхбыстрой диффузии», — говорит профессор МФТИ Владимир Стегайлов.

Ученые из МФТИ под руководством Владимира Стегайлова 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 рекордных молекулярно-динамических расчетов удалось непосредственно пронаблюдать броуновское движение пузыря и обнаружить принципиально новый механизм диффузии.

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.

«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. Открытый эффект поможет объяснить расхождение теории с экспериментом.

Работа выполнена в лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ. Исследования лаборатории 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. Однако моделирование — это всего лишь инструмент, который полезен только в связке с теоретическим представлениями о природе происходящих процессов. Данная работа является примером того, как теория, вооруженная самыми современными вычислительными инструментами, позволяет находить неожиданные новые явления, «спрятанные» в деталях микроскопического строения материалов.