Математика бабочек и морских ежей: в США создают революционное ядерное топливо
Ученые Национальной лаборатории Айдахо (INL) в США нашли неожиданный источник вдохновения для разработки ядерного топлива будущего — в математике природы. Их новейшие исследования сосредоточены на трижды периодических минимальных поверхностях — сложных повторяющихся решетчатых структурах, встречающихся в крыльях бабочек, панцирях морских ежей и даже костном мозге.
Согласно исследователям, эти природные геометрии, известные своей эффективностью, могут кардинально улучшить теплоотвод и общую производительность ядерного топлива. Данный подход предполагает замену традиционных твердых топливных форм математически оптимизированными структурами, что потенциально открывает путь к более безопасным, эффективным и современным реакторным технологиям.
На стыке математики и природы ученые давно наблюдают изящные и целесообразные повторяющиеся паттерны. Концепция минимальных поверхностей — форм, образующих наименьшую возможную площадь в заданных границах, — также проявляется в живой природе, например, в структуре крыльев бабочек и панцирей морских ежей. Опираясь на эту идею, лаборатория INL исследует трижды периодические минимальные поверхности в качестве модели для принципиально новой геометрии топлива. Их концепция, названная "Переплетенная ядерная топливная решетка для усиленного теплообмена", заменяет традиционные цилиндрические топливные стержни сложной повторяющейся решеткой. Эта структура увеличивает площадь контакта с теплоносителем и обеспечивает более эффективный теплообмен.
В отличие от топливных стержней середины XX века, вдохновленных простыми трубчатыми теплообменниками, новые конструкции требуют передовых технологий аддитивного производства, ставших доступными лишь недавно. Заимствуя геометрическую эффективность у природы, исследователи стремятся создать более безопасное, высокопроизводительное и компактное ядерное топливо для реакторов будущего. В ходе недавних лабораторных испытаний ученые создали с помощью 3D-печати электропроводящую модель новой топливной решетки, чтобы оценить поведение необычной геометрии под нагревом.
Команда утверждает, что испытания с газообразным и жидким теплоносителями показали, что топливная конструкция на основе минимальных поверхностей передает тепло примерно в три раза эффективнее стандартных цилиндрических топливных стержней. Это потенциально может значительно увеличить выходную мощность и улучшить экономику реактора. Моделирование также предполагает, что улучшенный теплообмен может позволить использовать топливные элементы с уменьшенной толщиной, снизить рабочие температуры и уменьшить тепловые нагрузки. Однако изготовление сложной переплетенной структуры из специальных материалов, отвечающих стандартам для ядерной отрасли, остаётся серьёзной проблемой.
Для ее решения была разработана гибридная методика, сочетающая аддитивное производство и горячее изостатическое прессование, что позволило успешно изготовить прототипы. Исследователи отмечают, что новая решетка обеспечивает более плавный, но извилистый путь для теплоносителя, улучшая отвод тепла и предлагая потенциальные преимущества для безопасности. Дальнейшая работа будет сосредоточена на определении типов реакторов, которые получат наибольшую выгоду от нововведения, причем микрореакторы и газоохлаждаемые системы рассматриваются как наиболее перспективные кандидаты.