Science XXI: ученые пытаются объяснить сжатие плутония при сильном нагреве

В области материаловедения обнаружено уникальное явление, связанное с дельта-фазой плутония, которое представляет собой фундаментальный вызов традиционным представлениям о поведении материалов при нагревании. В отличие от большинства веществ, которые демонстрируют термическое расширение вследствие увеличения амплитуды колебаний атомов, дельта-плутоний проявляет аномальное поведение: он сжимается при температурах выше комнатной, что противоречит базовым постулатам физики конденсированных сред.

Группа ученых из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса разработала математическую модель, не только воспроизводящую, но и объясняющую это необычное явление. Модель базируется на концепции свободной энергии, ключевого термодинамического параметра, отражающего энергетическую эффективность и стабильное состояние вещества.

Пер Сёдерлинд, ведущий автор исследования, подчеркнул, что электронная структура плутония является одной из наиболее сложных среди металлических элементов, на которую оказывают значительное влияние магнетизм, релятивистские эффекты и особенности кристаллической решетки. Инновационность новой теории заключается в учете магнитных флуктуаций, которые зависят от температуры, что позволило модели успешно коррелировать с экспериментальными данными о сжатии материала.

Разработанный методологический подход имеет потенциал для применения не только к исследованию плутония, но и к другим материалам. Учет динамического магнетизма является критически важным для анализа железа и его сплавов, что имеет значительное значение для геофизики и совершенствования моделей земного ядра.

Работы американских физиков способствуют развитию материаловедения, выходя за пределы теоретических изысканий. Понимание свойств плутония имеет ключевое значение для обеспечения безопасности хранения, транспортировки и утилизации ядерных материалов. Компьютерное моделирование позволяет прогнозировать процессы старения ядерных боеприпасов и топлива, что имеет важное значение для национальной безопасности и разработки новых материалов.

Необходимо отметить, что текущая модель является идеализированной и применима только к «чистому» кристаллу дельта-плутония. В реальных условиях материал всегда содержит примеси, дислокации и границы зерен. Следующей важной задачей ученых является валидация теории с учетом микроструктурных особенностей реальных образцов для решения инженерных задач, включая прогнозирование деформации деталей, пишет источник.