Физики из МФТИ и ОИВТ РАН описали подвижность линейных дефектов кристаллической структуры — дислокаций — в ядерном топливе на основе диоксида урана, что позволит в дальнейшем предсказывать поведение топлива в ходе эксплуатации. Полученные результаты были опубликованы в International Journal of Plasticity.

Ядерное топливо имеет огромный потенциал, так как оно является одним из самых энергоемких ресурсов из ныне известных: одна топливная таблетка из диоксида урана массой в несколько граммов при работе в активной зоне реактора выделяет энергию, эквивалентную теплу от сжигания нескольких сотен килограммов антрацитового угля или нефти. В течение планового времени эксплуатации материал топлива претерпевает невероятно сложные изменения под влиянием радиационных и температурных факторов. В настоящее время механизмы этих изменений не до конца понятны, что не позволяет реализовать полный потенциал топлива и максимально снизить риск аварий.

В ядерной инженерии большую роль играют механические свойства топлива, которые определяются движением и взаимодействием дислокаций. Подвижность дислокаций в диоксиде урана при воздействии высоких температур и нагрузок до настоящего момента не была подробно изучена. Именно изучению этой характеристики дислокаций в диоксиде урана — одном из основных соединений, использующихся в качестве ядерного топлива во всем мире — посвящено исследование, представленное в статье Артема Лунева, Алексея Куксина и Сергея Старикова.

Диоксид урана в реакторах используется в виде спеченных таблеток. Данный материал имеет очень высокую температуру плавления, не склонен к радиационному росту и не испытывает фазовых переходов в широком температурном интервале. В теории твердое тело имеет четкую, упорядоченную структуру (кристаллическую структуру), где каждый атом занимает строго определенное место. Но в реальных условиях идеальных кристаллов не существует. Это означает, что какие-то атомы или группы атомов находятся не на своем месте, нарушая идеальный порядок. Это приводит к появлению дефектов в кристалле. Дефекты, в свою очередь, могут быть нуль-мерными (точечными), линейными (к этому типу относятся дислокации), двумерными или объемными. Дефекты могут передвигаться внутри кристалла, и характер их передвижения зависит от внешних воздействий. Известно, что динамика линейных дефектов (дислокаций) определяет свойства топлива, важные в ядерной инженерии (пластичность, ползучесть, характер диффузии осколков деления).

На рисунке: а) Система, моделирующая поведение дислокации в кристалле диоксида урана, где σxz — приложенное сдвиговое напряжение. Зеленым обозначены атомы урана, находящиеся в узлах идеальной кристаллической решетки урана в структуре диоксида урана, синим — линия, по которой происходит искажение идеальной решетки (линия дефекта). б) Структура идеальной кристаллической решетки диоксида урана, где красным обозначены атомы кислорода, зеленым — атомы урана.

В работе сотрудников ОИВТ РАН и МФТИ с помощью вычислительных методов создана модель изолированной дислокации в идеальном кристалле диоксида урана и рассчитано изменение скорости ее передвижения в зависимости от температуры и внешних сил, воздействующих на кристалл.

Исследователи проанализировали результаты моделирования в рамках статистической физики и получили модель, которая описывает поведение дислокаций в широком диапазоне температур при различных сдвиговых напряжениях — теперь появилась возможность, зная необходимые параметры, рассчитать скорость, с которой будет двигаться дефект.

Опираясь на полученную модель, уже в ближайшем будущем можно будет проводить моделирование для более масштабных систем и исследовать процессы, происходящие на макроуровне в реальных топливных таблетках.

«Мы сделали важный шаг на пути к описанию таких сложных процессов, как распухание и охрупчивание ядерного топлива в условиях эксплуатации, полностью основываясь на компьютерном моделировании», — говорит Сергей Стариков, один из авторов статьи, доцент МФТИ и старший научный сотрудник ОИВТ.

Компьютерное моделирование дает возможность оперировать непосредственно с атомами, получать информацию об их скорости, силах, которые на них действуют, и других параметрах. Это позволяет создавать и исследовать системы различных сложных конфигураций. Компьютерное моделирование широко используется там, где провести эксперимент достаточно затруднительно по каким-либо причинам. Исследование поведения и свойств ядерного топлива — как раз такая область. Подобные расчеты требуют высоких вычислительных мощностей и производятся на современных суперкомпьютерах, так как для каждого атома рассчитываются силы, воздействующие на него в каждый момент времени.