Físicos da Academia Russa de Ciências descreveram a mobilidade dos defeitos de linha, ou deslocamentos, em dióxido de urânio. Isso permitirá previsões futuras do comportamento do combustível nuclear em condições operacionais. Os resultados da pesquisa foram publicados no International Journal of Plasticity .

O combustível nuclear tem um potencial imenso, já que é um dos recursos mais densos em energia disponíveis - uma única pelota de combustível de dióxido de urânio pesando não mais do que alguns gramas libera a mesma quantidade de energia dentro do núcleo do reator que é produzida pela queima de várias centenas de quilos de carvão ou óleo antracítico. Quando um reator nuclear está em operação, o combustível nas pelotas passa por transformações extremamente complexas causadas tanto pela temperatura quanto pela radiação. Como os mecanismos subjacentes a essas transformações ainda não são totalmente compreendidos, ainda não conseguimos realizar todo o potencial do combustível nuclear e reduzir ao mínimo o risco de acidentes.

As propriedades mecânicas dos pellets de combustível, que desempenham um papel importante na engenharia nuclear, são determinados pelo movimento e interação dos deslocamentos. A mobilidade de deslocamento no dióxido de urânio em altas temperaturas e sob estresse nunca foi estudada em detalhes. pesquisa recente sobre dinâmica de deslocamento foi realizada por Artem Lunev, Alexey Kuksin, e Sergey Starikov. Em seu jornal, os cientistas relatam uma simulação do comportamento de deslocamento do dióxido de urânio, que é um dos compostos mais difundidos usados ​​como combustível nuclear em usinas de energia em todo o mundo.

Para ser usado como combustível nuclear, o dióxido de urânio é formado em pelotas de cerâmica que são sinterizadas em alta temperatura. Este material tem um ponto de fusão muito alto, é resistente ao crescimento induzido por radiação, e não experimenta transições de fase dentro de uma ampla faixa de temperatura. Teoricamente, um corpo sólido tem uma regular estrutura ordenada (estrutura cristalina), e há uma certa posição designada para cada átomo ocupar. Na realidade, cristais perfeitos não existem, porque alguns átomos ou grupos de átomos estão sempre fora do lugar, alterando o arranjo ideal. Em outras palavras, existem defeitos (imperfeições) em um cristal real. Eles vêm em vários tipos, viz., defeitos pontuais, defeitos de linha (luxações), defeitos planares e defeitos volumosos. Os defeitos podem se mover dentro do cristal, e a natureza de seu movimento depende de fatores externos. A dinâmica de deslocamento é conhecida por determinar as propriedades do combustível relevantes para a engenharia nuclear (plasticidade, difusão de fragmentos de fissão).

Em seu estudo, os cientistas do MIPT e do Joint Institute for High Temperatures usaram métodos computacionais para desenvolver um modelo de um deslocamento isolado em um cristal de dióxido de urânio perfeito. Eles calcularam a velocidade de deslocamento variável em função da temperatura e das forças externas que afetam o cristal.

Os pesquisadores analisaram os resultados da simulação no âmbito da física estatística e obtiveram um modelo que descreve o comportamento dos deslocamentos em uma ampla faixa de temperatura sob tensão de cisalhamento de várias magnitudes. Este modelo permite o cálculo da velocidade de deslocamento com base nos parâmetros conhecidos de temperatura e estresse.

O modelo proposto pelos cientistas russos poderá em breve ser usado para simular sistemas mais complexos e estudar os processos macroscópicos que ocorrem nas pelotas de combustível em condições de operação.

"Este é um grande avanço na descrição de processos tão complexos como o inchaço e a fragilização do combustível nuclear durante a operação apenas por meio de simulações de computador, "diz Sergey Starikov, um co-autor do estudo, um professor associado do MIPT, e pesquisador sênior do Joint Institute for High Temperatures.

A modelagem por computador permite aos cientistas rastrear átomos de combustível individuais e calcular suas velocidades e as forças que os afetam, junto com outros parâmetros. Isso permite que sistemas de várias configurações complexas sejam simulados e estudados. A modelagem por computador é amplamente utilizada em situações em que a realização de um experimento é problemática. A pesquisa sobre o comportamento do combustível nuclear é uma dessas áreas. Esses cálculos em grande escala dependem de supercomputadores modernos, já que o poder de computação massivo é necessário para encontrar as forças que afetam os átomos individuais em cada momento no tempo.