Ученые, возможно, поняли природу пустот в стареющем ядерном топливе

Москва, 3 апр - ИА Neftegaz.RU. Российские физики из МФТИ придумали способ для быстрого расчета процесса формирования нанополостей в ядерном топливе и других твердых материалах.

Статья опубликована в научном журнале Journal of Nuclear Materials.

Профессор МФТИ В. Стегайлов:

• этот способ ускоряет вычисление коэффициента диффузии нанопор в ядерном топливе в несколько десятков ра,
• мы планируем применить его для других материалов, испытывающих интенсивные радиационные повреждения в ядерных реакторах.

Говоря языком юных физиков, диффузия - это перемешивание компонентов смеси, возникающее при наличии перепада их концентраций.
На молекулярном уровне причиной диффузии является хаотичное движение индивидуальных частиц, которое на макроуровне приводит к возникновению направленного течения компонентов смеси.
Процесс диффузии дерзко направлен к установлению равновесия - к выравниванию концентраций и равномерному перемешиванию компонентов.
Говоря феноменологически (отталкиваясь от наблюдений явления, а не процессов, лежащих в его основе), исходя из экспериментальных данных, физики давно вывели закон Фика.
Плотность потока вещества при диффузии пропорциональна градиенту концентрации диффундирующего компонента.
Закон Фика связывает распределение концентрации вещества в пространстве с его потоками, что позволяет возможность полностью описать динамику переноса вещества во времени и пространстве в результате решения уравнения диффузии.
В одномерном случае

Коэффициент пропорциональности D называют коэффициентом диффузии.
Закон есть, но нельзя сказать, что расчет коэффициентов диффузии - любимая задача физиков - ядерщиков.
Это трудоемко, хоть с использованием классической теории, основанной на концепции длины свободного пробега, хоть - более современной, основанной на концепции случайных блужданий.
Поэтому восторг физиков понятен.

Ядерное топливо - это порошок из окиси урана и различных органических и неорганических присадок, который спрессован в таблетки массой в несколько грамм.
Производство и использование урановых таблеток - сложный техпроцесс, поскольку внутренняя структура и химсостав таблеток меняется по мере распада атомов урана и взаимодействия радиации с их оболочкой.
Почему важно понимать физику процесса этих изменений:

• безопасность ядерного реактора зависит от деформации урановых таблеток,
• от состава этих капсул и определенных присадок из других тяжелых элементов зависит время выработки энергии расщепляющимися веществами.

Пытливые физики из МФТИ увлеклись влиянием распада атомов урана и других радиоактивных элементов на формирование микроскопических пустот внутри ядерного топлива, где накапливаются газообразные продукты распада.
Эти пузырьки сильно влияют на скорость реакций и механические свойства ядерных капсул.
Было непросто:

• невозможно постоянно следить за их формированием,
• время экспериментов оказалось слишком коротко, чтобы наблюдать за изменениями,
• это мешало физикам просчитать процесс формирования нанопор с помощью компьютерных моделей.

Ученым МФТИ удалось придумать алгоритм ускорения расчетов:

• Оказалось, что пустоты по форме похожи на многогранники.
• Была изучена миграция нанопор внутри кристаллической решетки частиц окиси урана.
• Предложен способ моделировать движение нанопор - подтолкнуть их внешней силой,
• Под воздействуем внешней силы на материал, окружающий нанопору, полость начинает всплывать аналогично пузырьку в воде под действием силы Архимеда.

Такие компьютерные модели ядерного топлива и прочих материалов, используемых в работе АЭС, позволят повысить их безопасность и коммерческую эффективность.


Автор: А. Шевченко, О. Бахтина