"Реакторы должны работать либо на более высокой мощности, либо дольше использовать топливо, чтобы повысить их производительность. Но тогда, при таких условиях, риск износа также возрастает", - сказал доктор Карим Ахмед, доцент кафедры ядерной инженерии. "Таким образом, существует настоятельная необходимость в разработке более совершенных конструкций реакторов, и способ достижения этой цели заключается в оптимизации материалов, используемых для строительства ядерных реакторов".

Результаты исследования опубликованы в журнале Границы в материалах.

По данным Министерства энергетики, ядерная энергия превосходит все другие природные ресурсы по мощности и составляет 20% производства электроэнергии в Соединенных Штатах. Источником ядерной энергии являются реакции деления, при которых изотоп урана распадается на дочерние элементы после попадания быстро движущихся нейтронов. Эти реакции выделяют огромное количество тепла, поэтому детали ядерных реакторов, особенно насосы и трубы, изготавливаются из материалов, обладающих исключительной прочностью и устойчивостью к коррозии.

Однако реакции деления также производят интенсивное излучение, которое вызывает ухудшение конструкционных материалов ядерного реактора. На атомном уровне, когда энергетическое излучение проникает в эти материалы, оно может либо сбивать атомы с их мест, вызывая точечные дефекты, либо заставлять атомы занимать свободные места, образуя промежуточные дефекты. Оба эти несовершенства нарушают регулярное расположение атомов в кристаллической структуре металла. А затем то, что начинается с крошечных дефектов, разрастается, образуя пустоты и дислокационные петли, что со временем ухудшает механические свойства материала.

Хотя есть некоторое понимание типа дефектов, которые возникают в этих материалах при радиационном воздействии, Ахмед сказал, что было трудно смоделировать, как радиация, наряду с другими факторами, такими как температура реактора и микроструктура материала, вместе способствуют образованию дефектов и их росту.

"Проблема заключается в вычислительных затратах", - сказал он. "В прошлом моделирование ограничивалось конкретными материалами и областями, охватывающими несколько микрон в поперечнике, но если размер домена увеличивается даже до 10 микрон, вычислительная нагрузка резко возрастает".

В частности, исследователи заявили, что для учета больших размеров домена предыдущие исследования пошли на компромисс в отношении количества параметров в дифференциальных уравнениях моделирования. Однако нежелательным следствием игнорирования одних параметров по сравнению с другими является неточное описание радиационного повреждения.

Чтобы преодолеть эти ограничения, Ахмед и его команда разработали свое моделирование со всеми параметрами, не делая никаких предположений о том, является ли один из них более уместным, чем другой. Кроме того, для выполнения сложных в настоящее время вычислительных задач они использовали ресурсы, предоставленные Texas A&M High Performance Research Computing group.

После запуска моделирования их анализ показал, что использование всех параметров в нелинейных комбинациях дает точное описание радиационного повреждения. В частности, в дополнение к микроструктуре материала, радиационный режим внутри реактора, конструкция реактора и температура также важны для прогнозирования нестабильности материалов из-за излучения.

С другой стороны, работа исследователей также проливает свет на то, почему специализированные наноматериалы более устойчивы к пустотам и дислокационным петлям. Они обнаружили, что нестабильности возникают только тогда, когда граница, окружающая кластеры соориентированных атомных кристаллов, или граница зерен, превышает критический размер. Таким образом, наноматериалы с их чрезвычайно мелкими размерами зерен подавляют нестабильность, тем самым становясь более устойчивыми к радиации.

"Хотя наше исследование является фундаментальным теоретическим и моделирующим, мы думаем, что оно поможет ядерному сообществу оптимизировать материалы для различных видов применения ядерной энергии, особенно новые материалы для реакторов, которые являются более безопасными, эффективными и экономичными", - сказал Ахмед. "Этот прогресс в конечном итоге увеличит наш вклад в чистую, безуглеродную энергетику".

Доктор Абдуррахман Озтурк, научный сотрудник отдела ядерной инженерии, является ведущим автором этой работы. Мерв Генктурк, аспирант кафедры ядерной инженерии, также внес свой вклад в это исследование.