Начиная с момента открытия деления атомных ядер в конце 1930-х годов в качестве модели, описывающей процесс их деления, применялась т.н. «капельная модель», в которой делящееся ядро представляет собой некоторый аналог жидкой капли (позже при исследовании свойств трансурановых элементов в качестве уточнения к ней была предложена «оболочечная модель», рассматривавшая протоны и нейтроны в ядре как распределённые по оболочкам наподобие электронов вокруг ядер). Недавно группа учёных из числа сотрудников университета Вашингтона, Варшавского технологического университета (Польша), Тихоокеанской северо-западной Национальной лаборатории и Лос-Аламосской Национальной лаборатории, разработала новую модель, описывающую, что происходит на последних этапах процесса деления ядра.
Используя эту модель, учёные выяснили, например, то, что радиоактивные осколки деления распадаются с периодом значительно большим, чем предсказывала теория раньше. Подтверждением правильности новой модели стало то обстоятельство, что кинетическая энергия осколков деления, вычисленная в связи с новой теорией, оказалась полностью соответствующей экспериментальным данным. Как отмечают авторы открытия,
«сложные вычисления динамики деления в реальном времени без физического ограничения являются реально выполнимыми и открывают путь к теоретическому анализу явлений микромира с большой предсказательной силой».
Работа, получившая название «Описание вынужденного деления ядра плутония-240 в микроскопических рамках в реальном времени» занимает одной из первых мест в Editors' Suggestion by Physical Review Letters – индексе цитирования физических научных журналов по версии Google. Помимо своего фундаментального значения в теоретической физике, новые исследования позволяют также моделировать будущие атомные реакторы, прогнозировать наиболее оптимальный состав топлива, а также имеет множество дополнительных приложений, например, в сфере ядерной судебной экспертизы.
Суть математической модели состояла в том, что теория функционала плотности (DFT), ранее применявшаяся для моделирования электронных структур, была расширена на системы, в которых происходят сильные взаимодействия (частным случаем которых и являются атомные ядра). Для решения этой задачи применительно к ядру плутония-240 потребовалось решение системы из 56 тысяч нелинейных дифференциальных уравнений. Это потребовало 550 минут машинного времени на суперкомпьютере Titan на базе процессора Cray XK7, расположенного в вычислительном подразделении Окриджской национальной лаборатории (OLCF).
«Одним из наиболее заметных результатов является то, что мы теперь можем прогнозировать пространственно-временные конфигурации процесса деления ядер на порядок больше, чем те, которые предсказывались в научной литературе ранее»,
- пояснил один из соавторов открытия, Кеннет Рош из Тихоокеанской северо-западной Национальной лаборатории. В своей статье авторы также отмечают, что в дальнейшем их метод может быть расширен до учёта двух и более параметров процесса деления, например, массы и заряда, что позволит учитывать большее количество аспектов и получать более подробную информацию.
