I fisici dell'Accademia Russa delle Scienze hanno descritto la mobilità dei difetti di linea, o dislocazioni, nel biossido di uranio. Ciò consentirà previsioni future del comportamento del combustibile nucleare in condizioni operative. I risultati della ricerca sono stati pubblicati nel Giornale Internazionale di Plasticità .

Il combustibile nucleare ha un potenziale immenso, poiché è una delle risorse più ricche di energia disponibili:un singolo pellet di biossido di uranio del peso di non più di pochi grammi rilascia la stessa quantità di energia all'interno del nocciolo del reattore che viene prodotta bruciando diverse centinaia di chilogrammi di carbone antracite o petrolio. Quando un reattore nucleare è in funzione, il combustibile nel pellet subisce trasformazioni estremamente complesse causate sia dalla temperatura che dall'irraggiamento. Poiché i meccanismi alla base di queste trasformazioni non sono ancora completamente compresi, non siamo ancora in grado di realizzare il pieno potenziale del combustibile nucleare e ridurre al minimo il rischio di incidenti.

Le proprietà meccaniche dei pellet combustibili, che svolgono un ruolo importante nell'ingegneria nucleare, sono determinati dal movimento e dall'interazione delle dislocazioni. La mobilità per dislocazione nel biossido di uranio ad alte temperature e sotto stress non è mai stata studiata in dettaglio.Ora, una recente ricerca sulle dinamiche di dislocazione è stata condotta da Artem Lunev, Alexey Kuksin, e Sergej Starikov. Nella loro carta, gli scienziati riferiscono su una simulazione del comportamento di dislocazione nel biossido di uranio, che è uno dei composti più diffusi utilizzati come combustibile nucleare nelle centrali elettriche in tutto il mondo.

Da utilizzare come combustibile nucleare, Il biossido di uranio si forma in pellet ceramici che vengono sinterizzati ad alta temperatura. Questo materiale ha un punto di fusione molto alto, è resistente alla crescita indotta dalle radiazioni, e non subisce transizioni di fase all'interno di un ampio intervallo di temperature. Teoricamente, un corpo solido ha un regolare, struttura ordinata (struttura cristallina), e c'è una certa posizione designata da occupare per ogni atomo. In realtà, i cristalli perfetti non esistono, perché alcuni atomi o gruppi di atomi sono sempre fuori posto, alterare la disposizione ideale. In altre parole, ci sono difetti (imperfezioni) in un vero cristallo. Ne esistono di diversi tipi, cioè., difetti puntuali, difetti di linea (lussazioni), difetti planari e difetti di massa. I difetti possono muoversi all'interno del cristallo, e la natura del loro moto dipende da fattori esterni. È noto che le dinamiche di dislocazione determinano le proprietà del combustibile rilevanti per l'ingegneria nucleare (plasticità, diffusione di frammenti di fissione).

Nel loro studio, gli scienziati del MIPT e del Joint Institute for High Temperatures hanno utilizzato metodi computazionali per sviluppare un modello di una dislocazione isolata in un perfetto cristallo di biossido di uranio. Hanno calcolato la variazione della velocità di dislocazione in funzione della temperatura e delle forze esterne che influenzano il cristallo.

I ricercatori hanno analizzato i risultati della simulazione nell'ambito della fisica statistica e hanno ottenuto un modello che descrive il comportamento delle dislocazioni in un ampio intervallo di temperature sotto stress di taglio di varie grandezze. Questo modello consente il calcolo della velocità di dislocazione in base ai parametri noti di temperatura e sollecitazione.

Il modello proposto dagli scienziati russi potrebbe presto essere utilizzato per simulare sistemi più complessi e studiare i processi macroscopici che si verificano nei pellet di combustibile in condizioni operative.

"Questo è un importante passo avanti verso la descrizione di processi complessi come il rigonfiamento e l'infragilimento del combustibile nucleare durante il funzionamento mediante sole simulazioni al computer, "dice Sergey Starikov, coautore dello studio, professore associato al MIPT, e un ricercatore senior presso il Joint Institute for High Temperatures.

La modellazione al computer consente agli scienziati di tracciare i singoli atomi di combustibile e di calcolare le loro velocità e le forze che li influenzano, insieme ad altri parametri. Ciò consente di simulare e studiare sistemi di varie configurazioni complesse. La modellazione al computer è ampiamente utilizzata in situazioni in cui l'esecuzione di un esperimento è problematica. La ricerca sul comportamento del combustibile nucleare è una di queste aree. Tali calcoli su larga scala si basano su moderni supercomputer, poiché è necessaria un'enorme potenza di calcolo per trovare le forze che influenzano i singoli atomi in ogni momento.