Se ilustra la estructura del dióxido de uranio. Crédito:MIPT
Los físicos de la Academia de Ciencias de Rusia han descrito la movilidad de los defectos de línea, o dislocaciones, en dióxido de uranio. Esto permitirá realizar predicciones futuras del comportamiento del combustible nuclear en condiciones operativas. Los resultados de la investigación se publicaron en el Revista Internacional de Plasticidad .
El combustible nuclear tiene un potencial inmenso, ya que es uno de los recursos más densos en energía disponibles:una sola pastilla de combustible de dióxido de uranio que no pese más de unos pocos gramos libera la misma cantidad de energía dentro del núcleo del reactor que se produce al quemar varios cientos de kilogramos de carbón o aceite de antracita. Cuando un reactor nuclear está en funcionamiento, el combustible de los pellets sufre transformaciones extremadamente complejas provocadas tanto por la temperatura como por la radiación. Debido a que los mecanismos subyacentes de estas transformaciones aún no se comprenden completamente, todavía somos incapaces de aprovechar todo el potencial del combustible nuclear y reducir al mínimo el riesgo de accidentes.
Las propiedades mecánicas de los pellets de combustible, que juegan un papel importante en la ingeniería nuclear, están determinadas por el movimiento y la interacción de las dislocaciones. La movilidad de la dislocación en el dióxido de uranio a altas temperaturas y bajo estrés nunca se ha estudiado en detalle. Artem Lunev ha llevado a cabo una investigación reciente sobre la dinámica de la dislocación, Alexey Kuksin, y Sergey Starikov. En su papel los científicos informan sobre una simulación del comportamiento de la dislocación en el dióxido de uranio, que es uno de los compuestos más utilizados como combustible nuclear en plantas de energía en todo el mundo.
Para ser utilizado como combustible nuclear, El dióxido de uranio se forma en gránulos de cerámica que se sinterizan a alta temperatura. Este material tiene un punto de fusión muy alto, es resistente al crecimiento inducido por la radiación, y no experimenta transiciones de fase dentro de un amplio rango de temperatura. Teóricamente un cuerpo sólido tiene una regular, estructura ordenada (estructura cristalina), y hay una cierta posición designada para que la ocupe cada átomo. En realidad, los cristales perfectos no existen, porque algunos átomos o grupos de átomos siempre están fuera de lugar, alterando el arreglo ideal. En otras palabras, hay defectos (imperfecciones) en un cristal real. Vienen en varios tipos, verbigracia., defectos puntuales, defectos de línea (dislocaciones), defectos planos y defectos a granel. Los defectos pueden moverse dentro del cristal, y la naturaleza de su movimiento depende de factores externos. Se sabe que la dinámica de la dislocación determina las propiedades del combustible relevantes para la ingeniería nuclear (plasticidad, difusión de fragmentos de fisión).
Esta imagen muestra:(a) Configuración de simulación para estudiar la dinámica de la dislocación en un cristal de dióxido de uranio bajo un esfuerzo cortante aplicado σxz. Los átomos de uranio en los puntos reticulares de la subred perfecta de uranio dentro del cristal de óxido de uranio se muestran en verde. El defecto de línea que corresponde a una distorsión de la red cristalina perfecta se muestra en azul. (b) La estructura perfecta del cristal de dióxido de uranio con las esferas verde y roja que representan átomos de uranio y oxígeno respectivamente. Crédito:Oficina de Prensa de MIPT
En su estudio, Los científicos del MIPT y el Instituto Conjunto para Altas Temperaturas utilizaron métodos computacionales para desarrollar un modelo de una dislocación aislada en un cristal de dióxido de uranio perfecto. Calcularon la velocidad variable de dislocación en función de la temperatura y las fuerzas externas que afectan al cristal.
Los investigadores analizaron los resultados de la simulación en el marco de la física estadística y obtuvieron un modelo que describe el comportamiento de las dislocaciones en un amplio rango de temperatura bajo esfuerzos cortantes de diversas magnitudes. Este modelo permite el cálculo de la velocidad de dislocación en función de los parámetros conocidos de temperatura y tensión.
El modelo propuesto por los científicos rusos pronto podría utilizarse para simular sistemas más complejos y estudiar los procesos macroscópicos que ocurren en los pellets de combustible en condiciones operativas.
"Este es un gran avance hacia la descripción de procesos tan complejos como el hinchamiento y fragilización del combustible nuclear durante la operación mediante simulaciones por computadora únicamente, "dice Sergey Starikov, un coautor del estudio, profesor asociado en MIPT, e investigador principal del Instituto Conjunto de Altas Temperaturas.
El modelado por computadora permite a los científicos rastrear átomos de combustible individuales y calcular sus velocidades y las fuerzas que los afectan. junto con otros parámetros. Esto permite simular y estudiar sistemas de diversas configuraciones complejas. El modelado por computadora se usa ampliamente en situaciones en las que realizar un experimento es problemático. La investigación sobre el comportamiento del combustible nuclear es una de esas áreas. Estos cálculos a gran escala se basan en supercomputadoras modernas, ya que se requiere una potencia informática masiva para encontrar las fuerzas que afectan a los átomos individuales en cada momento en el tiempo.
