Приклад розрахункової комірки: кристалічна решітка діоксиду урану (сірий колір - атоми урану уран, червоний - кисню), що містить бульбашку ксенона (жовті атоми). Чорним кольором показано атоми урану, витіснені в міжвузельні положення. Такий кластер міждузлій істотно прискорює дифузію міхура. Надано авторами статті.
Дослідники з МФТІ знайшли можливе пояснення аномально швидкого виходу газу з ядерного палива. Суперкомп'ютерне моделювання дозволило виявити несподіваний механізм прискорення виходу газових бульбашок з кристалічної матриці діоксиду урану на поверхню. Цей результат вказує шлях для усунення парадоксальної розбіжності в кілька порядків між існуючими теоретичними моделями і результатами експериментів. Стаття опублікована в Journal of Nuclear Materials.
Дифузія газових бульбашок у процесі роботи реактора - одна з важливих тем ядерної енергетики, що стосується радіаційної безпеки. Бульбашки з газоподібних продуктів ділення (переважно ксенона), скупчуючись у паливі, впливають на багато його властивостей. Тому при проектуванні і використанні реакторів важливо знати, наскільки швидко газ виходить з палива.
Незважаючи на активну роботу різних наукових груп у цій галузі, повне розуміння механізмів дифузії газів у паливі поки відсутнє. Яскравим свідченням цього факту є недавня серія робіт французьких вчених. Результати, які показує запропонована ними модель, в десятки разів нижче вимірюваних в спеціальних експериментах. «Сам факт опублікування подібних суперечливих результатів і, по суті, непрацюючої теорії говорить, з одного боку, про високий інтерес наукової спільноти до даної проблеми, а з іншого - про необхідність пошуку принципово нових фізичних механізмів надшвидкої дифузії», - говорить професор МФТІ Володимир Стегайлов.
Вчені з МФТІ під керівництвом Володимира Стегайлова змогли промоделювати дифузію нановузирів ксенона в діоксиді урану протягом величезного за атомними масштабами часу - до трьох мікросекунд (три мільярди кроків інтегрування). Це стало можливо завдяки оптимальному використанню суперкомп'ютерних потужностей і сучасних кодів. В результаті подібних рекордних молекулярно-динамічних розрахунків вдалося безпосередньо поспостерігати броунівський рух міхура і виявити принципово новий механізм дифузії.
Раніше вважалося, що чим вища концентрація газу, тим повільніша дифузія, оскільки газ заважає руху діоксиду на поверхні міхура. Автори статті показали, що при досягненні деякої концентрації газ виштовхує атоми кристалічної решітки в міждузельні положення.
"Накопичуючись, міждузельні атоми утворюють кластери, що швидко переміщаються навколо бульбашки. Бульбашка і кластер, періодично підштовхуючи один одного, рухаються істотно швидше, ніж бульбашка сама по собі. Таким чином з'являється новий ефект - прискорення дифузії газом ", - пояснює один з авторів дослідження - аспірант ФЕФМ МФТІ Олександр Антропов. Відкритий ефект допоможе пояснити розбіжність теорії з експериментом.
Робота виконана в лабораторії суперкомп'ютерних методів у фізиці конденсованого стану МФТІ. Дослідження лабораторії засновані на суміщенні методів квантової і класичної механіки, статистичної фізики і кінетики з обчислювальними технологіями. Використання найсучасніших суперкомп'ютерів і постійне вдосконалення численних методів дуже важливо для забезпечення високої точності розрахунків. Однак моделювання - це лише інструмент, який корисний тільки в зв'язці з теоретичним уявленнями про природу процесів, що відбуваються. Ця робота є прикладом того, як теорія, озброєна найсучаснішими обчислювальними інструментами, дозволяє знаходити несподівані нові явища, «заховані» в деталях мікроскопічної будови матеріалів.
