Кинетика эволюции газовых включений в кристаллах диоксидов урана и плутония

Proyecto: Award Project

Detalles del proyecto

Description

Образование газовых включений в кристаллах топлива ядерных реакторов может приводить к деградации его физических характеристик (охрупчиванию, понижению теплопроводности), а также является одним из механизмов радиационного распухания топлива, опасного из-за возможности возникновения механического контакта с оболочкой тепловыделяющего элементы. Выход радиогенных газов из топлива увеличивает давление под оболочкой. В аварийных условиях (возрастание реактивности, потеря теплоносителя) возможно фрагментация топлива, обусловленная резким расширением газа, содержащегося в закрытых пузырьках или порах. Возможности экспериментального изучения облученного топлива ограничены сложностью его внутренней структуры, а также радиоактивностью, что делает актуальным вычислительное моделирование процессов, протекающих в таком топливе на атомарном уровне. Одним из наиболее эффективных методов моделирования кристаллов оксидного топлива UO2, PuO2 (U,Pu)O2 является классическая молекулярная динамика (МД), позволяющая обеспечить высокую производительность расчёта больших и сложных систем при сохранении количественной точности результатов. Несмотря на то, что МД-моделированию газовых включений в рассматриваемых кристаллах, особенно в диоксиде урана, посвящены десятки работ, сохраняется принципиальная необходимость совершенствования используемых методик. Известно, что вакансионные полости и газовые пузырьки, существующие в объёме кристаллов ядерного топлива (включая UO2 и PuO2) представляют собой «ловушки», препятствующие миграции атомов радиогенных газов на границы зёрен и поверхность кристалла. Основным механизмом, обеспечивающим перерастворение захваченных атомов в объём кристаллической решётки, считается взаимодействие пузырьков с быстрыми частицами продуктами ядерных реакций, а также с каскадами столкновений, возникающими при прохождении таких частиц через кристалл. Цель настоящего проекта состоит в создании достоверной классической молекулярно-динамической модели процессов образования и распада включений радиогенных газов (ксенона, криптона и гелия) в объёме кристаллов UO2, PuO2 и (U,Pu)O2 под воздействием высокоэнергетических продуктов ядерного распада и каскадов столкновений, инициируемых ядерными реакциями. Научная новизна и практическая значимость работы будут определяться решением следующих практических задач: 1. Получение эмпирических потенциалов взаимодействия атомов радиогенных газов с ионным окружением в кристаллах UO2, PuO2 и (U,Pu)O2, позволяющих достоверно описывать высокоэнергетические взаимодействия. 2. Реализация динамической перезарядки собственных ионов и атомов радиогенных газов при моделировании образования и распада газовых включений. 3. Осуществление прямого обмена энергией между ионной и электронной подсистемами модельных кристаллов при взаимодействии газовых включений с быстрыми частицами и каскадами столкновений. 4. обобщение потенциалов взаимодействия, параметров и методик моделирования, предложенных ранее для газовых включений в диоксиде урана, на кристаллы PuO2 и (U,Pu)O2. Необходимая для реализации поставленных задач высокая производительность моделирования будет обеспечена распараллеливанием критичных расчётов на графических процессорах архитектуры CUDA. В научной группе, где будет реализовываться проект, существуют предназначенные для такого моделирования оригинальные пакеты программ.
EstadoActivo
Fecha de inicio / finalización efectiva01/10/201930/09/2021

UrFU Research Division section that handles this grant (Kuibyshev, Mira)

  • Mira Research Division

GRNTI

  • 29.19.22

Type of Financial Sources

  • RFFI