Как работают материалы в экстремальных условиях: российские ученые раскрыли свойства циркония при высоких температурах

Ученые из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН провели исследование, которое впервые позволило с высокой точностью определить теплофизические свойства циркония в жидком и сверхкритическом состояниях. Эти результаты помогут развивать материалы для использования в экстремальных условиях, включая ядерную энергетику.

Ключевые результаты исследования

Комбинируя передовые квантово-механические расчеты и уникальные экспериментальные методы, ученые уточнили ключевые параметры критической точки циркония. Например, критическая температура составила 9400 K, а давление достигло 3350 атмосфер. До этого оценки этих параметров сильно варьировались, оставляя большие пробелы в данных.

Синергия теории и эксперимента

В основе работы лежит редкое сочетание двух подходов:

Теория: Квантовая молекулярная динамика позволила смоделировать поведение циркония в условиях, недостижимых в обычных лабораториях.
Эксперимент: Сверхбыстрый импульсный нагрев циркония электрическим током до 6000 K при давлении свыше 3000 атмосфер помог получить данные о фазовых переходах и электрическом сопротивлении.

«Наши результаты показывают, что квантово-механические расчеты становятся самостоятельным и надежным инструментом для изучения свойств материалов, особенно в сочетании с передовыми экспериментальными методами», — отмечает Дмитрий Минаков, старший научный сотрудник лаборатории моделирования свойств материалов ОИВТ РАН. доцент кафедры физики высокотемпературных процессов МФТИ. .

Практическое значение
Исследование выявило особенности поведения циркония при экстремальных температурах. Например:

• Вблизи критической точки резко увеличивается изохорная теплоемкость.
• Электрическое сопротивление растет в пять раз.
• Скорость звука в жидком цирконии впервые была определена экспериментально.

Эти данные важны для разработки конструкционных материалов, которые могут выдерживать экстремальные условия, такие как высокие температуры и давление, например, в ядерных реакторах.

Перспективы и выводы

«Это исследование открывает новые горизонты для материаловедения, — подчеркивает Михаил Шейндлин, заведующий лабораторией экстремальных энергетических воздействий ОИВТ РАН. — Мы создали методы, которые помогут изучать свойства материалов, остающихся недосягаемыми для современных технологий».

Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 20-79-10398) и опубликована в Physical Review B. Полученные результаты уже закладывают основу для будущих исследований, которые помогут создать технологии завтрашнего дня.

Источник: «Российские учёные раскрыли свойства циркония при экстремальных температурах: синергия теории и эксперимента» — За науку