Маленькая, да удаленькая — таблетка урана скрывает силу, способную разрушить целый реактор

Ядерное топливо — один из самых энергоёмких ресурсов на планете. Одна таблетка из диоксида урана, весом всего несколько граммов, выделяет столько же энергии, сколько сотни килограммов угля или нефти. Но чтобы использовать этот ресурс на полную мощность и при этом обеспечить безопасность, нужно точно понимать, что с ним происходит внутри реактора.

Почему топливо меняется в работе

Во время эксплуатации топливные таблетки подвергаются сильнейшим температурным и радиационным нагрузкам. В результате — сложные изменения на атомном уровне. Сегодня эти процессы до конца не изучены, и это ограничивает эффективность и надёжность ядерного топлива.

Одну из ключевых ролей в поведении топлива играют так называемые дислокации — линейные дефекты кристаллической структуры. Они напрямую влияют на пластичность, устойчивость к ползучести и другие важные характеристики. Однако до недавнего времени движение таких дефектов в диоксиде урана оставалось "тёмным пятном".

Что удалось выяснить учёным

Исследователи из МФТИ и ОИВТ РАН создали вычислительную модель, которая описывает поведение изолированной дислокации в кристалле урана. Они рассчитали, как скорость её движения зависит от температуры и внешнего воздействия. Это стало возможным благодаря суперкомпьютерам, позволяющим рассчитать силу воздействия на каждый атом в системе.

"Мы сделали важный шаг на пути к описанию таких сложных процессов, как распухание и охрупчивание ядерного топлива в условиях эксплуатации, полностью основываясь на компьютерном моделировании", — говорит Сергей Стариков, один из авторов статьи.

Почему это важно

Диоксид урана, используемый в виде спечённых таблеток, обладает уникальными свойствами: высокая температура плавления, отсутствие фазовых переходов и устойчивость к радиационному росту.

Однако в реальности идеальных кристаллов не бывает — всегда есть отклонения, которые и становятся дефектами. Поведение этих дефектов зависит от внешних факторов и в итоге формирует характеристики всего топлива.

Теперь у инженеров появилась возможность рассчитывать скорость движения дислокаций при различных условиях. Это открывает путь к моделированию процессов в полномасштабных топливных элементах и к созданию более надёжного и предсказуемого ядерного топлива.

Уточнения

Ура́н (U лат. Uranium; устар. название — ура́ний) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 92.