Исследователи из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН провели масштабное исследование, которое позволило впервые с высокой точностью определить теплофизические свойства циркония в жидком и сверхкритическом состояниях при экстремально высоких температурах.
Статья опубликована в журнале Physical Review B. Работа, выполненная при поддержке Российского научного фонда, объединила передовые квантовые-механические расчеты методом квантовой молекулярной динамики и уникальные эксперименты по сверхбыстрому импульсному нагреву циркониевых образцов в камере высокого давления. Исследование стало важным вкладом в материаловедение и ядерную безопасность, предоставив данные, ранее недостижимые для точного экспериментального измерения.
С помощью расчетов «из первых принципов» ученые определили параметры критической точки циркония — состояния, где исчезает граница между жидкостью и газом. Критическая температура составила 9400 K, критическая плотность — 1380 кг/м3, а критическое давление — 3350 атмосфер. Эти результаты существенно уточняют представления о свойствах циркония при высоких температурах, поскольку ранее оценки критической температуры варьировались в диапазоне от 8000 до 17000 K.
«Современные методы моделирования на основе теории функционала плотности и мощные суперкомпьютеры позволяют воспроизводить физические условия, которые невозможно или крайне сложно воссоздать в лаборатории. Это особенно важно для материалов, таких как цирконий, используемых в экстремальных условиях, включая ядерные реакторы, — комментирует руководитель исследования Дмитрий Минаков, старший научный сотрудник лаборатории моделирования свойств материалов ОИВТ РАН. доцент кафедры физики высокотемпературных процессов МФТИ. — Мы не только уточнили знание ключевых высокотемпературных свойств циркония, но и показали, что наши теоретические расчеты находятся в согласии с новейшими экспериментальными данными. Это укрепляет доверие к первопринципным вычислительным подходам как к самостоятельному инструменту исследования».
Эксперименты, выполненные в ОИВТ РАН, включали сверхбыстрый импульсный нагрев проволочных образцов циркония электрическим током до температуры 6000 K при давлении выше 3000 атмосфер. Это позволило измерить энтальпию жидкой фазы и электрическое сопротивление циркония в ранее неизученных областях фазовой диаграммы. Экспериментальное подтверждение получила расчетная зависимость удельного сопротивления, предсказывающая пятикратный рост сопротивления циркония вблизи критической точки.
«Мы впервые продемонстрировали синергию этих двух подходов — экспериментального и теоретического — при исследовании теплофизических свойств, — подчеркивает Михаил Шейндлин, заведующий лабораторией экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН. — Наш экспериментальный метод нагрева металлических образцов циркония, помещенных в камеру с давлением инертного газа в несколько тысяч атмосфер, импульсом тока высокой плотности позволяет получить уникальные высокотемпературные данные.
Особенностью используемой техники является прецизионное измерение температуры образца с использованием пирометра с уникальными характеристиками. Полученные экспериментальные данные затем дополняются результатами квантово-механических расчетов. Такой подход не только позволяет повысить надежность результатов, но и дает возможность изучать явления, выходящие за пределы возможностей современного эксперимента».
Исследование также выявило ряд важных особенностей поведения циркония при высоких температурах. Так, изохорная теплоемкость резко увеличивается вблизи критической точки, а параметр Грюнайзена, наоборот, снижается ниже идеально-газового значения. Нормальная спектральная излучательная способность циркония остается практически постоянной до 4000 K, но затем увеличивается на 50 процентов при приближении к критической температуре. И это явление необходимо учитывать в температурных измерениях пирометрическими методами, что и было сделано в этой работе. Наконец, в этом исследовании впервые были получены данные о скорости звука в жидком цирконии.
«Вычислительные методы открывают новые горизонты в понимании свойств материалов, — добавляет Павел Левашов, заведующий кафедрой физики высокотемпературных процессов МФТИ. — Наши расчеты позволили построить табличное уравнение состояния циркония в жидком и сверхкритическом состоянии, а также реконструировать критическую изобару и оценить положение кривой равновесия жидкость-пар до критической точки. Эти данные важны для развития перспективных высокотемпературных технологий».
Полученные результаты имеют прикладное значение для понимания высокотемпературного поведения материалов при взаимодействии с лазерным излучением, а также для моделирования гипотетических аварийных ситуаций в атомной энергетике. Знание фазовых переходов и критических свойств циркония необходимо для разработки новых конструкционных материалов, способных работать в экстремальных условиях.
«Эта работа демонстрирует, насколько мощным может быть взаимодействие эксперимента и теории, — заключает Дмитрий Минаков. — Мы открыли новую главу в изучении циркония, решив важные вопросы, которые оставались открытыми десятилетиями. Но это только начало: подходы, разработанные в рамках этого проекта, могут быть применены к другим материалам, что открывает широкие перспективы для материаловедения и технологий будущего».
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.