Физики Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) разработали модель процессов, протекающих в активной зоне ядерного реактора на атомарном уровне: рассмотрели эволюцию кристаллов оксидного топлива под воздействием нейтронного облучения.
Модель поможет увеличить КПД и время пребывания топлива в реакторе, улучшить свойства и сделать его еще более безопасным. Результаты моделирования столкновений высокоэнергетических ионов с пузырьками ксенона и гелия в кристаллах топлива представлены в журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms.
По словам ученых, в кристаллах топлива ядерных реакторов со временем образуются пузырьки радиогенных газов, что приводит к ухудшению физических характеристик: главный элемент активной зоны ядерного реактора (ТВЭЛ) становится хрупким, понижается теплопроводность топлива. Кроме того, распухание топлива может привести к механическому контакту тепловыделяющего элемента с оболочкой, что небезопасно.
«В ядерном реакторе уран делится на два осколка. Такими осколками часто оказываются изотопы криптона и ксенона. В результате альфа-распадов образуется гелий. Ксенон — один из основных продуктов деления. По мере выгорания делящихся изотопов ксенон накапливается в зазоре между самим топливом и оболочкой ТВЭЛа, и это сильно мешает теплоотдаче. Плюс атомы могут накапливаться в самом топливе: в кристаллической решетке, на границах зерен, что приводит к распуханию топлива, — рассказывает соавтор статьи, научный сотрудник кафедры технической физики УрФУ Дастан Сеитов. — Почему в реакторе выгорает только 10–15% топлива, остальное извлекают в качестве „отработанного“? Из-за накопления радиационных повреждений и осколков деления топливо распухает, к тому же, становится хрупким. Это мешает контролю и может привести к негативным последствиям. В худшем случае ТВЭЛ при поднятии может даже сломаться и остаться в ядерном реакторе».
В статье физики рассматривают альфа-распад плутония-239. Он очень активен и легко распадается на гелий и уран-235 (основное топливо для ядерных реакторов). Ученые полагают, что энерговыделение при таких альфа-распадах способствует разрушению пузырьков.
Энергия ядерной реакции в кристалле топлива может распространяться в форме баллистического каскада соударений атомов, передаваясь «по цепочке». Другой механизм состоит в переносе энергии через электронную подсистему. Разрушение пузырьков ксенона, криптона и гелия под воздействием баллистических каскадов называют гомогенным перерастворением газов. Именно такую схему удалось смоделировать физикам УрФУ. Над второй моделью — гетерогенным разрушением пузырьков, получивших энергию от электронной подсистемы кристалла, — они сейчас работают.
«Дело в том, что получить экспериментальные данные о процессах в активной зоне работающего реактора чрезвычайно трудно: этому препятствуют нейтронное облучение, высокие температуры, давление. Хорошим способом точнее понять, что происходит с топливом, оказывается молекулярное динамическое моделирование, — говорит Дастан Сеитов. — Конечно, можно достать топливо, разрезать в горячих камерах, подождать некоторое время, чтобы радиоактивность ушла, и потом с помощью микроскопов и масс-спектрометров изучить структуру и границы зерен. И все же, моделирование во многих случаях позволяет провести более детальное исследование».
Расчеты ученые проводят на графических процессорах (используются в игровой индустрии), которые программируют под исследовательские цели. Расчетный код для молекулярно-динамического моделирования — разработка сотрудников лаборатории.
«По молекулярной динамике есть множество программ. Известен, например, код LAMMPS, — говорит физик. — Мы в лаборатории разработали оригинальный пакет программ, более практичный. Его преимущество в том, что возможности продуктов на рынке ограничены, а мы можем считать все, что захотим — любые процессы мирного атома. Постепенно докупаем процессоры и подстраиваем под себя».
Отметим, что проект физиков поддержал Российский фонд фундаментальных исследований.
УрФУ — один из ведущих университетов России, участник проекта 5-100, расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных университетских игр 2023 года. Вуз выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».