Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont proposé une méthode qui accélère le calcul de la diffusion des nanobulles dans les matériaux solides. Cette méthode permet de créer des modèles de combustible beaucoup plus précis pour les centrales nucléaires. Le document a été publié dans le Journal des matières nucléaires .

Pourquoi le combustible nucléaire « vieillit-il » ?

Pendant le fonctionnement du réacteur, fragments de fission, volant à grande vitesse à travers le réseau cristallin de la matière combustible nucléaire, créer divers défauts—vacances, atomes interstitiels, et leurs grappes. Combinant, de telles lacunes forment des bulles qui se remplissent de produits de gaz de fission pendant la combustion du combustible. La diffusion de telles nanobulles affecte de manière significative les propriétés du combustible et la libération de produits de fission gazeux de celui-ci.

Le mannequinat à la rescousse

Les processus de vieillissement du combustible sont difficiles à étudier de manière expérimentale. D'un côté, ces processus sont très lents, et d'autre part, la collecte de données expérimentales pendant le fonctionnement du réacteur est presque impossible. Par conséquent, des modèles intégrés sont en cours de développement pour permettre de calculer l'évolution des propriétés des matériaux combustibles au cours du processus de combustion. Le coefficient de diffusion des nanobulles est l'un des paramètres clés de ces modèles. Cette étude est un projet conjoint du MIPT et de l'Institut conjoint des hautes températures de l'Académie des sciences de Russie.

De l'équation de Schrödinger à la dynamique de centaines de milliers d'atomes

Les chercheurs du Laboratoire des méthodes des superordinateurs en physique de la matière condensée du MIPT ont examiné des modèles atomistiques du matériau comprenant des centaines de milliers d'atomes. À l'aide de supercalculateurs, l'équipe a calculé leurs trajectoires sur des centaines de millions voire des milliards d'étapes d'intégration. Le modèle d'interaction interatomique gamma uranium utilisé a été obtenu par les physiciens dans le cadre de leurs travaux antérieurs, basé sur la résolution du problème de la mécanique quantique pour un système multiélectronique.

Le doctorant MIPT Alexander Antropov, un co-auteur de l'article, a expliqué : « Pour que la nanobulle bouge, il est nécessaire que les atomes du réseau passent de l'autre côté de la bulle. Ceci est similaire à une bulle d'air se déplaçant dans l'eau. Cependant, en matériaux solides, ce processus est beaucoup plus lent. Lorsque vous travaillez sur le projet, nous avons démontré qu'il existe une autre différence :les pores du réseau prennent la forme de polyèdres et les faces stables inhibent le processus de diffusion. Dans les années 70, la possibilité d'un tel effet a été prédite théoriquement sur la base de considérations générales. Notre méthode permet d'obtenir des résultats quantitatifs pour un matériau spécifique."

"Du fait que la diffusion des nanobulles est très lente, la seule vraie façon de modéliser leur mouvement est de leur donner un coup de pouce. Le problème, cependant, c'est comment faire pour faire le vide ? Tout en travaillant sur le projet, nous avons proposé et établi une méthode, dans lequel une force externe agit sur le matériau entourant le nanopore. La bulle commence à flotter vers le haut, semblable à une bulle dans l'eau sous la force de flottabilité du principe d'Archimède. La méthode proposée est basée sur la relation Einstein-Smoluchowski et rend les calculs de coefficient de diffusion des dizaines de fois plus rapides. À l'avenir, nous prévoyons de l'utiliser pour d'autres matériaux exposés à de graves dommages radiologiques dans les réacteurs nucléaires, " a commenté Vladimir Stegailov, professeur MIPT, le directeur du Laboratoire MIPT de Méthodes Supercalculatrices en Physique de la Matière Condensée.