News

17 January, 2025 10:11

Российские ученые раскрыли свойства циркония при экстремальных температурах

Исследователи из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН провели масштабное исследование, которое позволило впервые с высокой точностью определить теплофизические свойства циркония в жидком и сверхкритическом состояниях при экстремально высоких температурах.
В МФТИ раскрыли свойства циркония при экстремальных температурах. Источник: Пресс-служба МФТИ

Статья опубликована в журнале Physical Review B. Работа, выполненная при поддержке Российского научного фонда, объединила передовые квантовые-механические расчеты методом квантовой молекулярной динамики и уникальные эксперименты по сверхбыстрому импульсному нагреву циркониевых образцов в камере высокого давления. Исследование стало важным вкладом в материаловедение и ядерную безопасность, предоставив данные, ранее недостижимые для точного экспериментального измерения.

С помощью расчетов «из первых принципов» ученые определили параметры критической точки циркония — состояния, где исчезает граница между жидкостью и газом. Критическая температура составила 9400 K, критическая плотность — 1380 кг/м3, а критическое давление — 3350 атмосфер. Эти результаты существенно уточняют представления о свойствах циркония при высоких температурах, поскольку ранее оценки критической температуры варьировались в диапазоне от 8000 до 17000 K.

«Современные методы моделирования на основе теории функционала плотности и мощные суперкомпьютеры позволяют воспроизводить физические условия, которые невозможно или крайне сложно воссоздать в лаборатории. Это особенно важно для материалов, таких как цирконий, используемых в экстремальных условиях, включая ядерные реакторы, — комментирует руководитель исследования Дмитрий Минаков, старший научный сотрудник лаборатории моделирования свойств материалов ОИВТ РАН, доцент кафедры физики высокотемпературных процессов МФТИ. — Мы не только уточнили знание ключевых высокотемпературных свойств циркония, но и показали, что наши теоретические расчеты находятся в согласии с новейшими экспериментальными данными. Это укрепляет доверие к первопринципным вычислительным подходам как к самостоятельному инструменту исследования».

Эксперименты, выполненные в ОИВТ РАН, включали сверхбыстрый импульсный нагрев проволочных образцов циркония электрическим током до температуры 6000 K при давлении выше 3000 атмосфер. Это позволило измерить энтальпию жидкой фазы и электрическое сопротивление циркония в ранее неизученных областях фазовой диаграммы. Экспериментальное подтверждение получила расчетная зависимость удельного сопротивления, предсказывающая пятикратный рост сопротивления циркония вблизи критической точки.

«Мы впервые продемонстрировали синергию этих двух подходов — экспериментального и теоретического — при исследовании теплофизических свойств, — подчеркивает Михаил Шейндлин, заведующий лабораторией экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН. — Наш экспериментальный метод нагрева металлических образцов циркония, помещенных в камеру с давлением инертного газа в несколько тысяч атмосфер, импульсом тока высокой плотности позволяет получить уникальные высокотемпературные данные.

Особенностью используемой техники является прецизионное измерение температуры образца с использованием пирометра с уникальными характеристиками. Полученные экспериментальные данные затем дополняются результатами квантово-механических расчетов. Такой подход не только позволяет повысить надежность результатов, но и дает возможность изучать явления, выходящие за пределы возможностей современного эксперимента».

Исследование также выявило ряд важных особенностей поведения циркония при высоких температурах. Так, изохорная теплоемкость резко увеличивается вблизи критической точки, а параметр Грюнайзена, наоборот, снижается ниже идеально-газового значения. Нормальная спектральная излучательная способность циркония остается практически постоянной до 4000 K, но затем увеличивается на 50 процентов при приближении к критической температуре. И это явление необходимо учитывать в температурных измерениях пирометрическими методами, что и было сделано в этой работе. Наконец, в этом исследовании впервые были получены данные о скорости звука в жидком цирконии.

«Вычислительные методы открывают новые горизонты в понимании свойств материалов, — добавляет Павел Левашов, заведующий кафедрой физики высокотемпературных процессов МФТИ. — Наши расчеты позволили построить табличное уравнение состояния циркония в жидком и сверхкритическом состоянии, а также реконструировать критическую изобару и оценить положение кривой равновесия жидкость-пар до критической точки. Эти данные важны для развития перспективных высокотемпературных технологий».

Полученные результаты имеют прикладное значение для понимания высокотемпературного поведения материалов при взаимодействии с лазерным излучением, а также для моделирования гипотетических аварийных ситуаций в атомной энергетике. Знание фазовых переходов и критических свойств циркония необходимо для разработки новых конструкционных материалов, способных работать в экстремальных условиях.

«Эта работа демонстрирует, насколько мощным может быть взаимодействие эксперимента и теории, — заключает Дмитрий Минаков. — Мы открыли новую главу в изучении циркония, решив важные вопросы, которые оставались открытыми десятилетиями. Но это только начало: подходы, разработанные в рамках этого проекта, могут быть применены к другим материалам, что открывает широкие перспективы для материаловедения и технологий будущего».

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда № 20-79-10398. 


29 January, 2025
Физики доказали эффективность автоматической системы управления плотностью плазмы на российском токамаке
Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали систему упра...
23 January, 2025
Создан сверхстойкий материал для атомной и аэрокосмической отрасли
Ученые Университета МИСИС представили новый керамический материал с высокой прочностью и максим...