Физики рассчитали скорость распространения дефектов в таблетках ядерного топлива

Специалисты из МФТИ и Объединённого института высоких температур РАН нашли способ предсказывать дефекты в кристаллической структуре таблеток ядерного топлива. Полученные результаты позволят предсказывать поведение топлива в ходе эксплуатации и повышать эффективность его использования, а также безопасность работы реактора в целом. Соответствующая статья опубликована в International Journal of Plasticity.

При конструировании ядерных топливных сборок большую роль играют механические свойства топлива — диоксида урана. Обычно его в виде таблеток устанавливают в высокие и тонкие стержни, отдающие тепло теплоносителю. Чтобы тепло отдавалось равномерно, во все стороны, механическая структура таблеток должна быть однородной. Они не должны раскалываться при многолетней эксплуатации, несмотря на нагрев до очень высоких температур. Однако если сделать таблетки слишком большими, с избыточным запасом прочности, теплоотдача от них будет идти хуже. Идеальным вариантом было бы точно знать, как меняются механические свойства таблеток с топливом при разных рабочих температурах с течением времени.

Чтобы решить проблему, исследователи создали компьютерную модель перемещения дислокаций в таблетках диоксида урана. Дислокациями называют линейные дефекты в кристаллах, неизбежные в любом твёрдом теле. Их подвижность в диоксиде урана при воздействии высоких температур и нагрузок до настоящего момента не была подробно изучена.

Учёные с помощью вычислительных методов создали модель изолированной дислокации в идеальном кристалле диоксида урана и рассчитали изменение скорости её передвижения в зависимости от температуры и внешних сил, воздействующих на кристалл. Проведя с её помощью ряд симуляций, исследователи проанализировали их результаты посредством статистической физики. В итоге они получили модель, которая достоверно описывает поведение дислокаций в широком диапазоне температур при различных сдвиговых напряжениях.

Благодаря этому теперь появилась возможность, зная температурные и иные параметры в работающих сборках ядерного топлива, рассчитать скорость, с которой будут двигаться дефекты в таблетках с топливом. Это позволит предсказать его поведение на протяжении многолетней работы, например, дольше эксплуатировать без перегрузки или придавать таблеткам оптимальные форму и размеры. Возможно, таким образом в перспективе можно будет повысить глубину выгорания топлива, экономическую отдачу от него.