Российские физики создали компьютерную модель изменений ядерного топлива
© Пресс-служба МФТИ
Физики из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН описали подвижность линейных дефектов кристаллической структуры, дислокаций, в ядерном топливе на основе диоксида урана, что позволит в дальнейшем предсказывать поведение топлива в ходе эксплуатации. Полученные результаты были опубликованы в International Journal of Plasticity.
В течение планового времени эксплуатации материал ядерного топлива претерпевает невероятно сложные изменения под влиянием радиационных и температурных факторов. В настоящее время механизмы этих изменений не до конца понятны, что не позволяет реализовать полный потенциал топлива и максимально снизить риск аварий.
В ядерной инженерии большую роль играют механические свойства топлива, которые определяются движением и взаимодействием дислокаций. Подвижность дислокаций в диоксиде урана при воздействии высоких температур и нагрузок до настоящего момента не была подробно изучена. Именно изучению этой характеристики дислокаций в диоксиде урана посвящено данное исследование.
На рисунке: а) Система, моделирующая поведение дислокации в кристалле диоксида урана, где σxz — приложенное сдвиговое напряжение. Зеленым обозначены атомы урана, находящиеся в узлах идеальной кристаллической решетки урана в структуре диоксида урана, синим — линия, по которой происходит искажение идеальной решетки (линия дефекта). б) Структура идеальной кристаллической решетки диоксида урана, где красным обозначены атомы кислорода, зеленым — атомы урана.
© International Journal of Plasticity
В работе сотрудников ОИВТ РАН и МФТИ с помощью вычислительных методов создана модель изолированной дислокации в идеальном кристалле диоксида урана и рассчитано изменение скорости ее передвижения в зависимости от температуры и внешних сил, воздействующих на кристалл. Исследователи проанализировали результаты моделирования в рамках статистической физики и получили модель, которая описывает поведение дислокаций в широком диапазоне температур при различных сдвиговых напряжениях. Теперь появилась возможность, зная необходимые параметры, рассчитать скорость, с которой будет двигаться дефект.
«Мы сделали важный шаг на пути к описанию таких сложных процессов, как распухание и охрупчивание ядерного топлива в условиях эксплуатации, полностью основываясь на компьютерном моделировании», — рассказал один из авторов статьи, доцент МФТИ и старший научный сотрудник ОИВТ Сергей Стариков.
Опираясь на полученную модель, уже в ближайшем будущем можно будет проводить моделирование для более масштабных систем и исследовать процессы, происходящие на макроуровне в реальных топливных таблетках.