Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú han propuesto un método que acelera el cálculo de la difusión de nanoburbujas en materiales sólidos. Este método permite crear modelos de combustible significativamente más precisos para centrales nucleares. El artículo fue publicado en Revista de materiales nucleares .

¿Por qué el combustible nuclear 'envejece'?

Durante el funcionamiento del reactor, fragmentos de fisión, volando a altas velocidades a través de la red cristalina del material combustible nuclear, crear varios defectos:vacantes, átomos intersticiales, y sus racimos. Combinatorio, tales vacantes forman burbujas que se llenan con productos de gas de fisión durante el agotamiento del combustible. La difusión de tales nanoburbujas afecta significativamente las propiedades del combustible y la liberación de productos de fisión gaseosos del mismo.

Modelando al rescate

Los procesos de envejecimiento del combustible son difíciles de investigar de forma experimental. Por un lado, tales procesos son muy lentos, y por otro lado, recopilar datos experimentales durante la operación del reactor es casi imposible. Por lo tanto, Actualmente se están desarrollando modelos integrados que permitan calcular la evolución de las propiedades del material combustible durante el proceso de quemado. El coeficiente de difusión de nanoburbujas es uno de los parámetros clave en tales modelos. Este estudio es un proyecto conjunto del MIPT y el Instituto Conjunto de Altas Temperaturas de la Academia de Ciencias de Rusia.

De la ecuación de Schrödinger a la dinámica de cientos de miles de átomos

Los investigadores del Laboratorio de Métodos de Supercomputadoras en Física de la Materia Condensada en MIPT examinaron modelos atomísticos del material que comprende cientos de miles de átomos. Usando supercomputadoras, el equipo calculó sus trayectorias en cientos de millones o incluso miles de millones de pasos de integración. El modelo de interacción interatómica gamma uranio utilizado fue obtenido por los físicos en el curso de su trabajo anterior, basado en la resolución del problema de la mecánica cuántica para un sistema multielectrónico.

Alexander Antropov, estudiante de doctorado del MIPT, un coautor del artículo, explicó:"Para que la nanoburbuja se mueva, es necesario que los átomos de la red pasen al otro lado de la burbuja. Esto es similar a una burbuja de aire que se mueve en el agua. Sin embargo, en materiales sólidos, este proceso es mucho más lento. Al trabajar en el proyecto, Demostramos que hay otra diferencia:los poros del enrejado toman la forma de poliedros y las caras estables inhiben el proceso de difusión. En los 1970s, la posibilidad de tal efecto se predijo teóricamente sobre la base de consideraciones generales. Nuestro método permite obtener resultados cuantitativos para un material específico ".

"Debido al hecho de que la difusión de nanoburbujas es muy lenta, la única forma real de modelar su movimiento es dándoles un empujón de alguna manera. El problema, sin embargo, ¿Cómo se empuja un vacío? Mientras trabajaba en el proyecto, propusimos y establecimos un método, en el que una fuerza externa actúa sobre el material que rodea al nanoporo. La burbuja comienza a flotar hacia arriba, de manera similar a una burbuja en el agua bajo la fuerza flotante del principio de Arquímedes. El método propuesto se basa en la relación de Einstein-Smoluchowski y hace que los cálculos del coeficiente de difusión sean decenas de veces más rápidos. En el futuro, planeamos usarlo para otros materiales que están expuestos a graves daños por radiación en reactores nucleares, "comentó Vladimir Stegailov, Profesor MIPT, el jefe del Laboratorio MIPT de Métodos de Supercomputadoras en Física de la Materia Condensada.