La structure du dioxyde d'uranium est illustrée. Crédit :MIPT
Des physiciens de l'Académie des sciences de Russie ont décrit la mobilité des défauts de ligne, ou des luxations, en dioxyde d'uranium. Cela permettra des prévisions futures du comportement du combustible nucléaire dans des conditions d'exploitation. Les résultats de la recherche ont été publiés dans le Revue Internationale de Plasticité .
Le combustible nucléaire a un potentiel immense, car il s'agit de l'une des ressources les plus denses en énergie disponibles - une seule pastille de combustible de dioxyde d'uranium ne pesant pas plus de quelques grammes libère la même quantité d'énergie dans le cœur du réacteur que celle produite en brûlant plusieurs centaines de kilogrammes de charbon anthracite ou de pétrole. Lorsqu'un réacteur nucléaire est en service, le combustible contenu dans les pastilles subit des transformations extrêmement complexes dues à la fois à la température et au rayonnement. Parce que les mécanismes sous-jacents de ces transformations ne sont pas encore entièrement compris, nous ne sommes toujours pas en mesure d'exploiter pleinement le potentiel du combustible nucléaire et de réduire au minimum les risques d'accidents.
Les propriétés mécaniques des pastilles combustibles, qui jouent un rôle important dans le génie nucléaire, sont déterminés par le mouvement et l'interaction des dislocations. La mobilité des dislocations dans le dioxyde d'uranium à haute température et sous contrainte n'a jamais été étudiée en détail. des recherches récentes sur la dynamique des dislocations ont été menées par Artem Lunev, Alexeï Kouksine, et Sergueï Starikov. Dans leur papier, les scientifiques rapportent une simulation du comportement de dislocation dans le dioxyde d'uranium, qui est l'un des composés les plus répandus utilisés comme combustible nucléaire dans les centrales électriques à travers le monde.
Pour être utilisé comme combustible nucléaire, le dioxyde d'uranium est transformé en pastilles de céramique qui sont frittées à haute température. Ce matériau a un point de fusion très élevé, résiste à la croissance radio-induite, et ne subit pas de transitions de phase dans une large plage de températures. Théoriquement, un corps solide a une régularité, structure ordonnée (structure cristalline), et il y a une certaine position désignée pour chaque atome à occuper. En réalité, les cristaux parfaits n'existent pas, parce que certains atomes ou groupes d'atomes sont toujours déplacés, modifier l'arrangement idéal. En d'autres termes, il y a des défauts (imperfections) dans un cristal réel. Ils existent en plusieurs types, à savoir, défauts ponctuels, défauts de ligne (luxations), défauts planaires et défauts de masse. Les défauts peuvent se déplacer dans le cristal, et la nature de leur mouvement dépend de facteurs externes. La dynamique des dislocations est connue pour déterminer les propriétés du combustible pertinentes pour le génie nucléaire (plasticité, diffusion des fragments de fission).
Cette image montre :(a) Configuration de simulation pour étudier la dynamique de dislocation dans un cristal de dioxyde d'uranium sous contrainte de cisaillement appliquée σxz. Les atomes d'uranium sur les points du réseau du sous-réseau d'uranium parfait dans le cristal d'oxyde d'uranium sont indiqués en vert. Le défaut de ligne qui correspond à une distorsion du réseau cristallin parfait est représenté en bleu. (b) La structure cristalline parfaite du dioxyde d'uranium avec les sphères verte et rouge représentant respectivement les atomes d'uranium et d'oxygène. Crédit :Service de presse MIPT
Dans leur étude, les scientifiques du MIPT et du Joint Institute for High Temperatures ont utilisé des méthodes informatiques pour développer un modèle de dislocation isolée dans un cristal de dioxyde d'uranium parfait. Ils ont calculé la variation de la vitesse de dislocation en fonction de la température et des forces externes affectant le cristal.
Les chercheurs ont analysé les résultats de simulation dans le cadre de la physique statistique et ont obtenu un modèle qui décrit le comportement des dislocations dans une large plage de températures sous des contraintes de cisaillement de diverses magnitudes. Ce modèle permet le calcul de la vitesse de dislocation sur la base des paramètres connus de température et de contrainte.
Le modèle proposé par les scientifiques russes pourrait bientôt être utilisé pour simuler des systèmes plus complexes et étudier les processus macroscopiques se produisant dans les pastilles de combustible en conditions de fonctionnement.
"Il s'agit d'une avancée majeure vers la description de processus aussi complexes que le gonflement et la fragilisation du combustible nucléaire en fonctionnement au moyen de simulations informatiques uniquement, " dit Sergueï Starikov, un co-auteur de l'étude, professeur associé au MIPT, et chercheur principal au Joint Institute for High Temperatures.
La modélisation informatique permet aux scientifiques de tracer des atomes de combustible individuels et de calculer leurs vitesses et les forces qui les affectent, avec d'autres paramètres. Cela permet de simuler et d'étudier des systèmes de diverses configurations complexes. La modélisation informatique est largement utilisée dans les situations où la réalisation d'une expérience est problématique. La recherche sur le comportement du combustible nucléaire est l'un de ces domaines. De tels calculs à grande échelle reposent sur des supercalculateurs modernes, car une puissance de calcul massive est nécessaire pour trouver les forces affectant les atomes individuels à chaque instant.
