Ученые выяснили, почему дельта-плутоний сжимается при нагревании
В мире материаловедения одно из самых загадочных явлений долгое время оставалось без ответа: необычное термическое поведение дельта-фазы плутония, которая вопреки классическим физическим законам при нагревании не расширяется, а наоборот — сжимается. Такой эффект наблюдается при температуре, превышающей комнатную, и долгие годы ставил учёных в тупик.
Решение этой аномалии предложили специалисты Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (США). Исследователи создали теоретическую модель, способную воспроизвести и объяснить эффект «обратного расширения». В основе методики лежит анализ свободной энергии — параметра, определяющего состояние вещества и отражающего долю энергии, доступной для выполнения работы.
Один из авторов исследования, физик Пер Сёдерлинд, подчёркивает исключительную сложность электронной структуры плутония. На поведение его атомов оказывают влияние магнитные взаимодействия, релятивистские эффекты и особенности кристаллической решётки. Впервые в расчет включены температурно-зависимые магнитные флуктуации — ключ, который позволил достичь совпадения теории с результатами реальных экспериментов.
Значение открытия выходит за рамки одной химической субстанции. По мнению учёных, созданный подход пригоден и для изучения других металлов, включая железо и его сплавы. Это открывает новые горизонты для геофизики, например, в моделировании процессов, происходящих в ядре Земли, где железо в экстремальных условиях демонстрирует схожее поведение.
Понимание термодинамических особенностей плутония также имеет прикладную важность. Точный прогноз поведения этого элемента критичен для задач хранения и транспортировки радиоактивных веществ, а также для оценки старения ядерных боеголовок и топлива. Надёжные компьютерные модели дают возможность проводить симуляции без необходимости проведения дорогостоящих и опасных испытаний.
Однако исследователи признают, что их модель пока применима лишь к идеализированным условиям — чистому кристаллу дельта-плутония. В реальности же материалы содержат примеси, дефекты и границы зёрен. Следующим этапом станет адаптация теории к сложной микроструктуре, чтобы она могла использоваться в инженерной практике — например, для прогнозирования износа деталей в ядерной промышленности.
Источник: innovanews.ru.
