Газ, що накопичується в ядерному паливі в результаті реакцій поділу, може швидко виходити з нього завдяки тиску атомів палива, виштовхнутих цим газом з кристалічної решітки.
У процесі роботи ядерного реактора утворюються газоподібні продукти ділення ядерного палива, переважно газ ксенон. Газові бульбашки, скупчуючись всередині палива, впливають на багато його властивостей. Тому при проектуванні і використанні реакторів важливо знати, наскільки швидко газ виходить з палива. Дифузія (розсіювання) газових бульбашок - одна з важливих тем досліджень в ядерній енергетиці, що стосується не тільки ефективності роботи реактора, але і радіаційної безпеки.
Незважаючи на активну роботу в цій галузі різних наукових груп в декількох країнах, повне розуміння механізмів дифузії газів в ядерному паливі поки відсутнє. Яскравим свідченням цього факту служить опубліковані в 2019 і 2020 роках роботи французьких фахівців. Запропонована ними модель дає значення швидкості дифузії, які в десятки разів нижче вимірюваних в спеціальних експериментах. По суті, їх теорія не працює. Однак сам факт опублікування подібних суперечливих результатів говорить про високий інтерес до даної проблеми.
Фахівці з МФТІ під керівництвом завідувача Лабораторії суперкомп'ютерних методів у фізиці конденсованого стану професора Володимира Володимировича Стегайлова виявили принципово новий фізичний механізм надшвидкої дифузії газу в ядерному паливі. Вони змогли змоделювати переміщення нанопузирів ксенона різної концентрації 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 програмних кодів. В результаті подібних рекордних молекулярно-динамічних розрахунків вдалося безпосередньо поспостерігати броунівський рух міхура і виявити принципово новий механізм дифузії.
Раніше фізики вважали, що чим вища концентрація газу, тим повільніша дифузія, оскільки газ заважає руху діоксиду на поверхні бульбашки. Дослідники з МФТІ показали, що при досягненні деякої концентрації газ, завдяки високому тиску, виштовхує атоми кристалічної решітки в міждузельні положення. Скупчуючись там, ці атоми утворюють кластери, що швидко переміщаються навколо бульбашки. Бульбашка і кластер атомів, періодично підштовхуючи один одного, рухаються істотно швидше, ніж бульбашка сама по собі. Таким чином, з'являється новий ефект - прискорення дифузії самим газом, Це допоможе пояснити аномально швидкий вихід газу з ядерного палива і усуне розбіжність теорії з експериментом у поясненні цього явища.
Результати дослідження опубліковані в журналі Journal of Nuclear Materials.
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 дозволяють забезпечити високу точність розрахунків.
Щодо прес-релізу МФТІ