3 апреля 2020

Физики выяснили, как возникают пустоты в стареющем ядерном топливе

naked-science.ru naked-science.ru

Российские исследователи придумали, как быстро просчитывать процесс формирования нанополостей в ядерном топливе и других твердых материалах. Ученые надеются, что благодаря их работе атомная энергетика станет безопаснее и эффективнее. Статью физиков опубликовал научный журнал Journal of Nuclear Materials, кратко об этом пишет пресс-служба МФТИ. 

"Предложенный нами способ ускоряет вычисление коэффициента диффузии нанопор в ядерном топливе в несколько десятков раз. В дальнейшем мы планируем применить его для других материалов, испытывающих интенсивные радиационные повреждения в ядерных реакторах", – рассказал один из авторов работы, профессор МФТИ Владимир Стегайлов.

Ядерное топливо представляет собой порошок из окиси урана, а также различных органических и неорганических присадок, который спрессован в таблетки массой в несколько грамм. Их производство и использование – сложный процесс, так как внутренняя структура и химический состав этих капсул меняется по мере распада атомов урана и взаимодействия радиации с оболочками этих таблеток.

Понимание того, как происходят эти изменения, важны по нескольким причинам. С одной стороны, безопасность ядерного реактора напрямую зависит от того, как деформируются урановые таблетки. С другой, от состава этих капсул и определенных присадок из других тяжелых элементов зависит то, как долго расщепляющиеся вещества будут вырабатывать энергию.

Физиков из МФТИ интересовало то, как распады атомов урана и других радиоактивных элементов влияют на формирование микроскопических пустот внутри ядерного топлива, в которых часто накапливаются газообразные продукты распадов. Эти пузырьки достаточно сильно влияют на скорость реакций и механические свойства таблеток ядерного топлива.

Как именно возникают эти пустоты, ученые точно не знают, так как невозможно постоянно следить за их формированием. Кроме того, они растут очень медленно, из-за чего наблюдать за ними невозможно и во время коротких экспериментов.

Схожие соображения, как отмечают Стегайлов и его коллеги, мешали физикам просчитать процесс формирования этих пор с помощью компьютерных моделей. Российские ученые нашли способ ускорить эти расчеты. Они обратили внимание на то, что эти пустоты по форме похожи на многогранники. Также исследователи изучили то, как происходит их диффузия – "миграции" пор внутри кристаллической решетки частиц окиси урана.

"В силу того, что диффузия нанопор происходит очень медленно, единственный реальный способ моделировать их движение – как-то их подтолкнуть. Однако неочевидно, как толкать пустоту. Работая над проектом, мы предложили и обосновали метод, в котором на материал, окружающий нанопору, действует внешняя сила. В таком случае полость начинает всплывать аналогично пузырьку в воде под действием силы Архимеда", – пояснил Стегайлов.

Эта идея, как отмечает ученый, позволила физикам в десятки раз ускорить расчеты и понять, какие принципы управляют миграцией этих пузырьков, их формированием и ростом. Подобные компьютерные модели ядерного топлива и прочих материалов, используемых в работе АЭС, как надеются ученые, помогут повысить их безопасность и экономическую рентабельность.