Испытание огнем: российские ученые разогрели цирконий до 10000 градусов
Ученые из Объединенного института высоких температур РАН и Московского физико-технического института впервые в мире провели высокоточную оценку теплофизических свойств циркония при экстремально высоких температурах. Металл во время экспериментов находился в жидком и сверхкритическом состоянии. Статья о результатах исследования появилась в журнале Physical Review B.
В ходе работы ученые объединили передовые квантово-механические алгоритмы расчетов и сверхбыстрый импульсный нагрев под высоким давлением. Исследование внесло неоценимый вклад в материаловедение и безопасность атомной отрасли, поскольку данные ранее не могли быть получены экспериментальным путем.
Исследователи достоверно установили значение критической точки циркония — состояния, в котором стирается граница жидкости и газа. Температура составила 9400 K при плотности кипящего металла — 1380 кг/м3 и давлении 3350 атмосфер. Ранее существовали лишь приблизительные оценки критической температуры в диапазоне от 8 до 17 тысяч K.
Руководитель научного проекта Дмитрий Минаков отметил, что успех исследования был обеспечен за счет компьютерного моделирования высокотемпературных процессов, поскольку в лабораторных условиях практически невозможно воссоздать события, происходящие в недрах ядерного реактора. Ученый отметил безусловную первопринципность вычислительного подхода в подобных исследованиях. Время пресловутого «научного тыка» навсегда ушло в прошлое.
На первом этапе эксперимента циркониевую проволоку мощными импульсами электрического тока нагрели до 6000 K в камере с инертным газом под давлением 3000 атмосфер. Была измерена энтальпия сопротивления жидкого циркония. Подтвердилась высказанная ранее гипотеза о пятикратном росте электрического сопротивления металла при приближении к критической точке.
Михаил Шейндлин, заведующий лабораторией экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН, отметил прецизионный характер измерений, которые обеспечиваются сверхточным пирометром и дополняются квантово-механическими расчетами.
В ходе исследования выяснились неожиданные детали поведения жидкого циркония. Так, например, способность спектрального излучения жидкого циркония не меняется до точки кипения (чуть больше 4000 K), а затем стремительно растет примерно в полтора раза.
Во время экспериментов ученые впервые измерили скорость звука в жидком цирконии. Были составлены уравнения состояния жидкость-пар на всех этапах приближения к критической точке.
Хотя в массовом сознании цирконий пока ассоциируется лишь с зубными протезами из оксида циркония, в действительности этот дорогой металл все шире применяется в ядерной энергетике и высокотемпературных лазерных технологиях. Понимание особенностей фазовых переходов расплавленного циркония крайне важно для моделирования высокотемпературных процессов и тактики действий, если «что-то пошло не так».
«Работа демонстрирует, насколько мощным может быть взаимодействие эксперимента и теории, — заключил Дмитрий Минаков. — Мы открыли новую главу в изучении циркония, решив важные вопросы, которые оставались открытыми десятилетиями. Но это только начало».
Недавно российские ученые обнаружили бактерии, которые дружат с радиоактивным металлом технецием.
