Команда ученых из России на теоретическом уровне рассчитала кривые плавления циркония и гафния. Эти сложные металлы применяются в ядерной энергетике, и новые данные позволят сделать их использование безопаснее и эффективнее. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.
Кривые плавления показывают зависимость температуры и давления в момент, когда металл переходит из твердого состояния в жидкое. В 1910 году немецкий математик Фердинанд фон Линдеман предложил считать, что плавление в металле происходит в тот момент, когда под воздействием тепла его атомы начинают сильно колебаться, в результате чего твердое тело и превращается в жидкое. Традиционно, рассчитывая кривые плавления с помощью критерия Линдемана, динамика ионов в кристаллической решетке рассматривается как колебание частиц на пружине. Таким образом удается получить точные данные для алюминия или меди. Однако этот метод не применим для металлов, в которых сильны эффекты ангармонизма, то есть механизм колебания ионов более запутанный. К ним относятся гафний и цирконий.
Команда российских ученых исследовала кривые плавления этих металлов. Цирконий и гафний обладают хорошей коррозионной стойкостью в воде при высоких температурах. Благодаря этому их используют в водоохлаждаемых ядерных реакторах в качестве материала для оболочек тепловыделяющих элементов и регулирующих стержней. Данные о кривых плавления нужны, чтобы высчитать штатные и аварийные режимы работы двигателей и энергоустановок.
Исследователи обратились к квантовой молекулярной динамике и с ее помощью смогли рассчитать траекторию ионов при плавлении с учетом эффектов ангармонизма. Вычисления были проведены на суперкомпьютере. Также ученые показали, что критерий Линдемана можно применять для прогнозирования плавления и в случае сложных колебаний ионов, но амплитуду колебаний нужно рассчитывать непосредственно из ионных траекторий.
«Мы также впервые представили кривую плавления гафния вплоть до 225 ГПа. Это позволило заполнить пробел в знаниях, так как до настоящего времени не было никаких данных о плавлении гафния при давлениях выше атмосферного», – рассказал один из авторов исследования Павел Левашов из Московского физико-технического института.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
