莫斯科物理技术研究所为建立更精确核电站燃料模型提出新方法

莫斯科物理与技术研究所的研究人员建立更精确的核电站燃料模型提出了一种方法,可以加快计算固体材料中纳米气泡扩散速度。这种方法使得为核电站建立更精确的燃料模型成为可能。

莫斯科物理技术研究所为核电站建立更精确的燃料模型提出新方法

为什么核燃料会 “老化”?

在反应堆运行期间,裂变碎片高速穿过核燃料材料的晶格,产生各种缺陷–空位、间隙原子及其团簇。这些空隙结合在一起,形成气泡,在燃料燃尽时充满裂变气体产物。这种纳米气泡的扩散会显著影响燃料的特性和气态裂变产物的释放。

建模

燃料老化过程是很难用实验的方式来研究的。一方面,这种过程非常缓慢,另一方面,在反应堆运行过程中收集实验数据几乎是不可能的。因此,目前正在建立综合模型,以便计算燃尽过程中燃料材料特性的演变。纳米气泡扩散系数是此类模型中的关键参数之一。这项研究是MIPT和俄罗斯科学院高温联合研究所的一个联合项目。

从薛定谔方程到成千上万个原子的动力学模型

MIPT凝聚态物理学超级计算机方法实验室的研究人员研究了由数十万个原子组成的材料的原子模型。利用超级计算机,研究小组计算出了它们在数亿甚至数十亿积分步骤中的轨迹。在解决多电子系统量子力学问题的基础上,物理学家在前人工作的基础上,得到了γ-铀原子间相互作用模型。

要想让纳米气泡移动,就必须让晶格原子跨越到气泡的另一侧。这类似于气泡在水中移动的过程。然而,在固体材料中,这个过程要慢得多。在进行这项研究时,证明了另一个不同之处:晶格中的孔隙呈多面体的形式,稳定表面抑制了扩散过程。在20世纪70年代,根据一般的考虑,从理论上预测了这种效应的可能性。该研究方法可以获得特定材料的定量结果。

由于纳米气泡的扩散速度非常缓慢,因此真正能对纳米气泡的运动进行建模的唯一方法就是以某种方式给它们一个推力。然而,问题是,如何推动一个空隙?该研究项目提出建立了一种方法,在这个方法中,一个外力作用在纳米孔周围的材料上。在阿基米德原理的浮力作用下,气泡开始向上浮动,类似于水中的气泡。所提出的方法是基于Einstein-Smoluchowski关系,使扩散系数的计算速度提高了几十倍。未来,该研究小组计划将其应用于核反应堆中受到严重辐射损伤的其他材料。

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