Трагедия на АЭС «Фукусима-Дайити» в 2011 году стала не только страшным уроком, но и мощным катализатором прогресса в области ядерной энергетики. Исследователи по всему миру взялись за изучение материалов ядерного топлива с новой силой, стремясь понять их поведение при экстремальных условиях, чтобы сделать атомную энергию еще безопаснее и надежнее.
Аргоннская лаборатория: Оплот знаний о расплавленном топливе
В Аргоннской национальной лаборатории США, являющейся флагманом в области ядерных исследований, развернулась настоящая научная экспедиция. В 2014 году ученые, используя мощные рентгеновские лучи уникального комплекса Advanced Photon Source (APS), продемонстрировали возможность изучать структуру расплавленного диоксида урана (UO2) – основного компонента ядерного топлива. Этот успех стал отправной точкой для более амбициозного проекта – проникнуть в тайны поведения жидкого оксида плутония (PuO2).
Путь к знаниям: Преодоление сложных вызовов
Оксид плутония, из-за своей радиоактивности и сложности работы с ним, представлял собой куда более серьезную задачу. Команда из Аргоннской лаборатории, возглавляемая физиком Крисом Бенмором, не побоялась этого вызова. Они разработали сложную экспериментальную установку, где образцы PuO2 диаметром около 2 мм левитировали в потоке газа и плавились лазером на углекислом газе до температуры 3000 К. Такая методика позволила избежать загрязнения образцов и получить чистые рентгеновские снимки.
От матового серого до блестящего черного – так менялся цвет образца PuO2 под воздействием экстремального нагрева. Измерения в разных атмосферах и при различных температурах раскрывали секреты летучести расплава и его структуры.
Открытия, которые светят будущему атомной энергетики
Результаты эксперимента, опубликованные в журнале Nature Materials, оказались поистине революционными:
- Структура жидкого PuO2 была разгадана, и ученые обнаружили присутствие ковалентных связей – ранее не до конца понятной особенности.
- Сходство структуры расплавленного PuO2 с оксидом церия открывает путь для использования последнего как безопасного аналога в будущих реакторах.
«Мы словно разгадали язык атомов при невероятных температурах», – говорит Стивен Уилк, ведущий автор исследования из Materials Development Inc. – «Использование левитаторов для работы с такими материалами в таких условиях – это настоящий прорыв».
Машинное обучение и квантовая точность
Но эксперимент не ограничился лишь рентгеновскими снимками. Рентгеновские данные были использованы для обучения искусственного интеллекта на суперкомпьютере Аргоннской лаборатории. Это позволило с невероятной точностью смоделировать поведение каждого электрона в системе, пролить свет на механизмы образования связей и определить параметры безопасности использования смешанного оксидного топлива.
«Данные этого исследования – это не просто технологический прорыв, но и фундаментальное открытие о поведении актинидных оксидов при экстремальных условиях», – подчеркивает Марк Уильямсон, руководитель подразделения CFCT в Аргоннской лаборатории. – «Это пример невероятного сотрудничества экспертов, который приближает нас к созданию более безопасных и эффективных ядерных энергетических систем».
Исследование в Аргоннской лаборатории – это яркий пример того, как наука, преодолевая сложные вызовы, открывает новые горизонты для развития атомной энергетики. В сердце пламени, где обычные материалы теряют форму и свойства, ученые находят ответы, которые светят будущему чистой и надежной энергии.
