I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca hanno proposto un metodo che accelera il calcolo della diffusione delle nanobolle nei materiali solidi. Questo metodo consente di creare modelli di combustibile significativamente più accurati per le centrali nucleari. Il documento è stato pubblicato nel Journal of Nuclear Materials .

Perché il combustibile nucleare "invecchia"?

Durante il funzionamento del reattore, frammenti di fissione, volare ad alta velocità attraverso il reticolo cristallino del materiale combustibile nucleare, creare vari difetti:posti vacanti, atomi interstiziali, e i loro grappoli. Combinando, tali posti vacanti formano bolle che si riempiono di prodotti di gas di fissione durante l'esaurimento del combustibile. La diffusione di tali nanobolle influisce in modo significativo sulle proprietà del combustibile e sul rilascio di prodotti di fissione gassosi da esso.

Modellazione in soccorso

I processi di invecchiamento del carburante sono difficili da ricercare in modo sperimentale. Da una parte, tali processi sono molto lenti, e d'altra parte, raccogliere dati sperimentali durante il funzionamento del reattore è quasi impossibile. Perciò, sono attualmente in fase di sviluppo modelli integrati per consentire il calcolo dell'evoluzione delle proprietà del materiale combustibile durante il processo di combustione. Il coefficiente di diffusione delle nanobolle è uno dei parametri chiave in tali modelli. Questo studio è un progetto congiunto del MIPT e dell'Istituto congiunto per le alte temperature dell'Accademia delle scienze russa.

Dall'equazione di Schrödinger alla dinamica di centinaia di migliaia di atomi

I ricercatori del Laboratory of Supercomputer Methods in Condensed Matter Physics del MIPT hanno esaminato modelli atomistici del materiale comprendente centinaia di migliaia di atomi. Usando i supercomputer, il team ha calcolato le proprie traiettorie su centinaia di milioni o addirittura miliardi di passaggi di integrazione. Il modello di interazione interatomica gamma-uranio utilizzato è stato ottenuto dai fisici nel corso del loro lavoro precedente, basato sulla risoluzione del problema della meccanica quantistica per un sistema multielettronico.

Il dottorando del MIPT Alexander Antropov, un coautore del documento, ha spiegato:"Perché la nanobolla si muova, è necessario che gli atomi del reticolo attraversino l'altro lato della bolla. È simile a una bolla d'aria che si muove nell'acqua. Però, in materiali solidi, questo processo è molto più lento. Quando si lavora al progetto, abbiamo dimostrato che c'è un'altra differenza:i pori nel reticolo assumono la forma di poliedri e le facce stabili inibiscono il processo di diffusione. Negli anni '70, la possibilità di un tale effetto è stata prevista teoricamente sulla base di considerazioni generali. Il nostro metodo consente di ottenere risultati quantitativi per un materiale specifico."

"Dato che la diffusione delle nanobolle è molto lenta, l'unico vero modo per modellare il loro movimento è dare loro in qualche modo una spinta. Il problema, però, è come si spinge un vuoto? Mentre lavorava al progetto, abbiamo proposto e stabilito un metodo, in cui una forza esterna agisce sul materiale che circonda il nanoporo. La bolla inizia a fluttuare verso l'alto, similmente a una bolla d'acqua sotto la spinta del principio di Archimede. Il metodo proposto si basa sulla relazione Einstein-Smoluchowski e rende i calcoli del coefficiente di diffusione decine di volte più veloci. Nel futuro, abbiamo in programma di usarlo per altri materiali che sono esposti a gravi danni da radiazioni nei reattori nucleari, " ha commentato Vladimir Stegailov, Professore MIPT, il capo del Laboratorio MIPT di Metodi Supercomputer in Fisica della Materia Condensata.