莫斯科物理和技术研究所 燃料老化
信用:达里娅·索科尔/MIPT 莫斯科物理和技术研究所的研究人员提出了一种方法，可以加速固体材料中纳米气泡扩散的计算
这种方法使得为核电站建立更精确的燃料模型成为可能
这篇论文发表在《核材料杂志》上
核燃料为什么会“老化”？ 在反应堆运行过程中，裂变碎片高速穿过核燃料材料的晶格，产生各种缺陷——空位、间隙原子及其簇
结合在一起，这些空位形成气泡，在燃料燃尽过程中充满裂变气体产物
这种纳米气泡的扩散极大地影响了燃料的性质和燃料中气态裂变产物的释放
模拟救援 燃料老化过程很难通过实验来研究
一方面，这种过程非常缓慢，另一方面，在反应堆运行期间收集实验数据几乎是不可能的
因此，目前正在开发综合模型，以便计算燃尽过程中燃料材料特性的演变
纳米气泡扩散系数是这种模型中的关键参数之一
这项研究是MIPT和俄罗斯科学院高温联合研究所的联合项目
图1
γ铀中的纳米气泡内表面结构
荣誉:亚历山大·安特罗波夫，弗拉基米尔·斯蒂盖洛夫/核材料杂志 图2
表面晶格不规则的类型
荣誉:亚历山大·安特罗波夫，弗拉基米尔·斯蒂盖洛夫/核材料杂志 图3
半径为12埃的纳米气泡中的有序面重排
荣誉:亚历山大·安特罗波夫，弗拉基米尔·斯蒂盖洛夫/核材料杂志 图4
计算单元中分子动力学模型的元素
荣誉:亚历山大·安特罗波夫，弗拉基米尔·斯蒂盖洛夫/核材料杂志 从薛定谔方程到成千上万个原子的动力学 来自MIPT凝聚态物理超级计算机方法实验室的研究人员检查了由几十万个原子组成的材料的原子模型
通过使用超级计算机，该团队计算出它们在数亿甚至数十亿个整合步骤中的轨迹
所用的γ铀原子间相互作用模型是物理学家在他们以前的工作过程中，基于解决多电子系统的量子力学问题而获得的
该论文的合著者、MIPT博士生亚历山大·安特罗波夫解释说:“为了让纳米气泡运动，晶格原子必须穿越到气泡的另一边
这类似于气泡在水中运动
然而，在固体材料中，这个过程要慢得多
当进行这个项目时，我们证明了还有另一个区别:晶格中的孔采用多面体的形式，稳定的面抑制了扩散过程
在20世纪70年代，这种效应的可能性是基于一般考虑从理论上预测的
我们的方法使得获得特定材料的定量结果成为可能
" “由于纳米气泡的扩散非常缓慢，模拟它们运动的唯一真正方法是以某种方式推动它们
然而，问题是你如何推动一个虚空？在这个项目中，我们提出并建立了一种方法，其中外力作用在纳米孔周围的材料上
气泡开始向上漂浮，类似于阿基米德原理浮力作用下的水中气泡
所提出的方法是基于爱因斯坦-斯莫鲁考斯基关系，使扩散系数的计算速度快几十倍
MIPT凝聚态物理超级计算机方法实验室的负责人、MIPT教授弗拉迪米尔·斯泰格洛夫评论说:“将来，我们计划将它用于核反应堆中暴露在严重辐射损伤下的其他材料。”
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