Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou propuseram um método que acelera o cálculo da difusão de nanobolhas em materiais sólidos. Este método torna possível criar modelos de combustível significativamente mais precisos para usinas nucleares. O artigo foi publicado no Journal of Nuclear Materials .

Por que o combustível nuclear 'envelhece'?

Durante a operação do reator, fragmentos de fissão, voando em alta velocidade através da rede cristalina do material combustível nuclear, criam vários defeitos - vagas, átomos intersticiais, e seus clusters. Combinando, tais vagas formam bolhas que se enchem com produtos de gás de fissão durante a queima do combustível. A difusão de tais nanobolhas afeta significativamente as propriedades do combustível e a liberação de produtos gasosos da fissão a partir dele.

Modelando para o resgate

Os processos de envelhecimento do combustível são difíceis de pesquisar de forma experimental. Por um lado, tais processos são muito lentos, e por outro lado, coletar dados experimentais durante a operação do reator é quase impossível. Portanto, modelos integrados estão sendo desenvolvidos para permitir o cálculo da evolução das propriedades do material combustível durante o processo de queima. O coeficiente de difusão de nanobolhas é um dos parâmetros-chave em tais modelos. Este estudo é um projeto conjunto do MIPT e do Instituto Conjunto de Altas Temperaturas da Academia Russa de Ciências.

Da equação de Schrödinger à dinâmica de centenas de milhares de átomos

Os pesquisadores do Laboratório de Métodos de Supercomputadores em Física da Matéria Condensada do MIPT examinaram modelos atomísticos do material compreendendo centenas de milhares de átomos. Usando supercomputadores, a equipe calculou suas trajetórias ao longo de centenas de milhões ou até bilhões de etapas de integração. O modelo de interação interatômica gama urânio utilizado foi obtido pelos físicos no decorrer de seu trabalho anterior, com base na resolução do problema de mecânica quântica para um sistema multielétron.

Alexander Antropov, estudante de doutorado do MIPT, um co-autor do artigo, explicou:"Para a nanobolha se mover, é necessário que os átomos da rede cruzem para o outro lado da bolha. Isso é semelhante a uma bolha de ar se movendo na água. Contudo, em materiais sólidos, esse processo é muito mais lento. Ao trabalhar no projeto, demonstramos que há outra diferença:os poros na rede assumem a forma de poliedros e as faces estáveis ​​inibem o processo de difusão. Na década de 1970, a possibilidade de tal efeito foi prevista teoricamente com base em considerações gerais. Nosso método permite obter resultados quantitativos para um determinado material. "

“Devido ao fato de a difusão das nanobolhas ser muito lenta, a única maneira real de modelar seu movimento é, de alguma forma, empurrá-los. O problema, Contudo, é como você empurra um vazio? Enquanto trabalhava no projeto, propusemos e estabelecemos um método, em que uma força externa atua sobre o material ao redor do nanoporo. A bolha começa a flutuar para cima, semelhantemente a uma bolha na água sob a força de empuxo do princípio de Arquimedes. O método proposto é baseado na relação de Einstein-Smoluchowski e torna o cálculo do coeficiente de difusão dezenas de vezes mais rápido. No futuro, planejamos usá-lo para outros materiais que são expostos a danos severos de radiação em reatores nucleares, "comentou Vladimir Stegailov, Professor do MIPT, o chefe do Laboratório de Métodos de Supercomputadores em Física da Matéria Condensada do MIPT.