مقالات حوزه شبیه سازی
طراحی مواد هوشمند با رویکرد بکارگیری در صنعت هسته‌ای و فناوری‌ های کوانتومی (قسمت سوم)

طراحی مواد هوشمند با رویکرد بکارگیری در صنعت هسته‌ای و فناوری‌ های کوانتومی (قسمت سوم)

در قسمتهای قبل روش‌های شبیه سازی قسمت‌های مختلف راکتور توضیح داده شد. پس از آنکه سوخت هسته ای از چرخه خارج شد لازم است که برای آن به عنوان زباله هسته ای تمهیدی در نظر گرفته شود. مبحث زباله‌های هسته‌ای، مبحثی بسیار فراگیر و گسترده است. محاسبات نظری در این زمینه نیز به گونه‌ای بسیار فعال در کنار بررسی‌های تجربی حضور دارند. در قسمت پایانی به چالش‌های موجود در ارتباط با زباله های هسته ای می‌پردازیم.

زباله‌های هسته‌ای

مبحث زباله‌های هسته‌ای، مبحثی بسیار فراگیر و گسترده بوده است. محاسبات نظری در این زمینه نیز به‌گونه‌ای بسیار فعال در کنار بررسی‌های تجربی حضور دارند. در واقع سعی این روش‌ها بر آن است که مواد رادیواکتیوی که قابلیت استفاده مجدد در راکتور هسته‌ای را ندارند و از طرف دیگر دارای تشعشعات خطرناکی برای موجودات دارای حیات بر روی کره‌ی زمین هستند را در قالب ترکیباتی پایدار برای مدت‌های طولانی ذخیره کنند تا از شدت این تشعشعات کاسته شود و به میزانی که ایمن است برسند. بررسی‌های نظری در این زمینه‌ها می‌توانند پایداری شیمیایی هر کدام از این دسته ترکیبات را پیش از بررسی تجربی، امتحان کنند و برای هر کدام حالات بهینه را پیشنهاد نمایند. با توجه به اینکه مبحث زباله‌های هسته‌ای بسیار گسترده بوده از بسط و ادامه‌ی توضیحات بیشتر در این مورد خودداری می‌کنیم. از طرف دیگر، به توصیفاتی کلی از کیفیت مطالعات نظری انجام شده در این حوزه اکتفا می‌کنیم. از آنجایی که محصولات رادیواکتیو حاصل از سوختن سوخت‌های هسته‌ای در راکتورهای شکافت هسته‌ای، همگی فلزند و دارای اعداد اکسیداسیون مختلفی هستند، می‌توان پایداری آن‌ها را در قالب ترکیبات معدنی پایدار بررسی کرد. از جمله بررسی‌های دیگری که در این حوزه می‌توان به آن پرداخت اثر نقص ‌های ساختاری ناشی از تشعشعات و وجود حذف‌شدگی برخی اتم‌ها، وجود گاز‌های نجیب مانند هلیم در ساختار آن‌ها و تاثیر این همه در پایداری شیمیایی این سیستم‌ها را نام برد [21-24].

رادیواکتیوبودن و سمیت تولید شده در زباله های هسته ای، سیستم آب‌های زیرزمینی و زمین را آلوده می‌کند و سبب به خطر افتادن سلامتی می‌شود که این مساله از اهمیت ویژه ای برخوردار است. از این رو، حذف رادیونوکلوئیدهای سمی با طول عمر زیاد از محلول‌های پسماند رادیواکتیو، از اهمیت قابل توجهی به لحاظ محیط‌زیستی  برخوردار است. راهبردهای کاهش تحرک این اجزاء معمولاً متمرکز می‌‌شود به کاهش حلالیت این اجزاء و حالت اکسیداسیون پایین‌تر که در مورد اورانیوم، شامل کاهش اورانیوم انحلال‌پذیر U(VI) به اورانیوم غیرمحلول U(IV) می‌باشد. در سال‌های اخیر، حذف رادیونوکلوئیدها از محلول‌های رادیواکتیو به وسیله‌ی نانومواد کربنی مثل فلوئورن، نانوتیوپهای کربنی، گرافن و ... بسیار موردتوجه قرار گرفته است، زیرا این نانوساختارها به عنوان جاذبِ مواد سمی و رادیواکتیو از محلول‌های رادیواکتیو، به دلیل مساحت ویژه بالایشان و توانایی جذب قویشان استفاده می‌شوند و کاربرد قابل توجهی برای جداسازی مواد سمی و رادیواکتیو از پسماندهای رادیواکتیو دارند به دلیل اینکه فرایند جذب با قابلیت بالا و کنترل راحتی دارند. 
به دلیل خاصیت رادیواکتیو و سمی فلزات سنگین خصوصا یون های اکتینیدها در پسماندهای هسته ای، طراحی مواد جدید در مدیریت پسماندهای هسته ای، بسیار مهم و قابل توجه می‌باشد. نانوساختارهای کربنی در سیستم های دارورسانی هدفمند، درمان سرطان، ذخیره سازی هیدروژن، تصفیه آب و ... استفاده شده است که اخیراً استفاده از نانومواد کربنی در زمینه مدیریت زباله های هسته ای مورد توجه قرار گرفته است. اگرچه تاکنون مطالعاتی در این زمینه انجام شده، اما همچنان مطالعات به منظور استفاده از نانومواد کربنی مناسب‌تر با قابلیت جذب بهتر و انتخاب‌پذیری بیشتر رادیونوکلوئیدها، ادامه دارد. انحلال‌پذیری پایین فلوئورن و نانوتیوپ های کربنی کاربردشان را در محیط های آبی محدود می‌کند، اما تلاش‌های بسیاری برای بهبود انحلال‌پذیری این مواد کربنی با افزودن گروه‌های عاملی آلی و معدنی به آن‌ها انجام شده و در حال انجام است. نانومواد کربنی که گروه‌های عاملی آلی به آن‌ها افزوده شده، یکی از مواد کربنی امیدوارکننده برای استخراج انتخابی اکتینیدها هستند. تاکنون تحقیقات آزمایشگاهی و محاسباتی زیادی مربوط به جذب برخی اکتینیدها که در فرایند هسته ای وجود دارند بر روی مواد مختلف کربنی ساده و موادی که گروه‌های عامل به آن‌ها افزوده شده، انجام شده است. در این پروژه مطالعات مختلف کوانتومی در زمینه جذب برخی اکتینیدها بر روی نانوساختارهای کربنی که تاکنون مطالعات کوانتومی روی آن‌ها انجام نشده، طراحی نانومواد کربنی جدید از طریق افزودن گروه عاملی به آن‌ها برای جذب فلزات سنگین رادیواکتیو و مطالعات مختلفی در زمینه اطلاعات کوانتومی مربوط به استفاده از نانومواد کربنی در مدیریت پسماندهای هسته ای، با استفاده از روش های کوانتومی مبتنی بر نظریه تابعی چگالی (
DFT)  مورد توجه قرار می‌گیرد. 

پیشنهادهای محاسباتی

بررسی‌های ما نشان می‌‌دهد که ابداع و توسعه‌ی الگوریتم‌های مختلف پیش‌بینی ساختار همراه با محاسبات بر پایه‌ی DFT منجر به پیشرفت قابل ملاحظه‌ی حوزه علوم مواد شده است، بطوریکه هم‌ اکنون ترکیبات شیمیایی پایدار بسیاری گزارش شده‌اند که هنوز در صف سنتز شدن مانده‌اند. از جمله‌ی این الگوریتم‌ها می‌توان به evolutionary algorithm اشاره کرد که در نرم‌افزار پیش‌بینی ساختار USPEX بکار رفته است[25]. از این نرم‌افزار بسیار قدرتمند می‌توان به منظور پیش‌بینی حالت پایه‌ و همچنین حالت‌های ناپایدارتر نانو ذرات صفر بعدی، پلیمرها، سطوح، بلورهای مولکولی و به ویژه مواد دوبعدی استفاده کرد. مکانیسم عمل این نرم‌افزار به این صورت است که تعداد ساختار‌های اولیه‌ی متعددی را برای ترکیب خاصی تولید می‌کند. سپس این ساختار‌ها توسط نرم‌فزار‌های دیگری که از روش‌های محاسباتی بر پایه‌ی DFT برای بهینه‌سازی و محاسبه‌ی انتالپی تشکیل این ساختار‌ها استفاده می‌کنند، بهینه می‌شوند. بدیهی است که هر چه تعداد ساختار اولیه‌ی تولید شده بیشتر باشد، حالت پایه‌ی ارائه‌شده قابل اعتمادتر خواهد بود. از جمله موفقیت‌های این روش محاسباتی می‌توان به پیش بینی ساختار borophene که نانوورقه دوبعدی تشکیل شده از اتم‌های بور است اشاره کرد. نتایج این بررسی و همچنین سنتز این نانوورقه در مجله‌ی Science به چاپ رسیده است. از جمله دیگر نرم‌‌افزا‌های پیش‌‌بینی ساختار می‌توان به CALYPSO اشاره کرد [26] که از الگوریتم particle swarm optimization برای تولید ساختارهای اولیه استفاده می‌کند. مکانیسم عمل این نرم‌افزار و یا هر نرم‌افزار پیش‌‌بینی ساختار دیگری در این حوزه مانند USPEX  است.

علاوه بر نرم افزارهای مذکور، کدهای محاسباتی مختلفی با استفاده از تابع نظریه چگالی نوشته شده‌اند (از جمله ESSPERSSO, SIESTTA, TRANSIESTA, VASP) که در حال حاضر در صورت در دسترس بودن سیستم های کامپیوتری مناسب و نیز با انتخاب شبه‌پتانسیل‌های مناسب قادر به پیش‌بینی نتایج دقیقی خواهند بود.

اکنون که عرصه‌های علمی مختلف حوزه‌ی راکتور‌های هسته‌ای تشریح شد و همچنین حدود و صغور توانمندی‌های ابزار محاسباتی در این زمینه‌های علمی مورد بررسی قرار گرفت، می‌توان گفت که زمان آن فرا رسیده ‌است که شیمی ترکیبات آکتینیدی که قابلیت استفاده به عنوان سوخت را دارند با استفاده از نرم‌افزار‌های پیش‌بینی ساختار مورد بازبینی قرار گیرند. جالب است اشاره شود که با استفاده از این نرم‌افزار‌ها تمام سطح انرژی پتانسیل ترکیبات مواد دارای دو یا چند عنصر، قابل شناسایی هستند. به عبارت دیگر، ساختار تمام ترکیب درصد‌های محتمل دو یا چند عنصر که دارای پایداری شیمیایی مناسب هستند قابل شناسایی و استخراج خواهد بود. از طرف دیگر این بررسی‌‌ها می‌توانند به صورت جهت‌دار انجام شوند. به عنوان مثال سختی مکانیکی می‌تواند از جمله خصوصیات مورد علاقه در زمینه‌ی سوخت‌های هسته‌ای راکتور‌های شکافت هسته‌ای باشد. از این رو در جستجوی ترکیبات به عنوان مثال اورانیم-اکسیژن، اورانیم-نیتروژن، یا هر چند ترکیب دیگری می‌توانیم به جستجوی همزمان پایدارترین‌ها و سخت‌ترین‌ها بپردازیم. در واقع در این بررسی‌ها به معنای واقعی می‌توان از ابزار محاسباتی به عنوان راهنمای محققان تجربی استفاده کرد. اگر چه نویسنده‌ی این پیشنهادیه، آشنایی خاصی با شیمی ترکیبات آکتنیدی سنتزشده تحت فشار بالا ندارد، ولی در صورت امکان می‌توان ساختار‌های فازی متفاوت از یک ترکیب تحت فشار را نیز بررسی کرد. در برخی مواقع ساختار سنتزشده تحت فشار بالا دارای فاز متفاوتی از ترکیب مادر بوده که این فاز متفاوت می‌تواند منجر به ارائه‌ی خصوصیات شیمیایی و الکترونی نابی شود. آلیاژهای فلزی استفاده شده در ساختار میله‌های سوختی و همچنین دیواره‌ی راکتورهای هسته‌ای نیز از جمله موادی هستند که می‌توان آن‌ها را به خوبی مورد بازبینی قرار داد.
بررسی‌های نویسنده‌ی این پیشنهادیه نشان می‌دهد شیمی هر دو یا چند عنصر در مدت کمی از سوی استفاده کننده‌های این روش‌های پیش‌بینی ساختار مورد بازبینی کامل قرار گرفته‌ است. به عبارت دیگر تمام سطح انرژی پتانسیل (هر چینش محتملی از قرار گرفتن دو یا چند عنصر کنار یکدیگر) ترکیب عناصر مختلف در حال بازبینی‌شدن است. لازم است اشاره شود که اکثریت گروه‌های محاسباتی که در زمینه‌ی طراحی مواد جدید برای کاربرد‌های مختلف در حوزه‌های نانوالکترونیک، الکترونیک، و تبدیل و ذخیره سازی انرژی فعال هستند از این روش‌ها فعالانه در اغلب بررسی‌هاشان استفاده می‌کنند. منطق استفاده از این روش‌ها به این صورت است که پس از انجام جستجوی هدفمند حالت‌های پایه درصد ترکیب‌های دو یا چند عنصر (به عنوان مثال عناصر اورانیم و اکسیژن را در نظر بگیرید؛ درصد ترکیب‌های مختلف این دو می‌توانند هر
UxOy باشند) می‌توان خصوصیات مختلف آن‌ها جهت استفاده در انرژی هسته‌ای را مورد بررسی قرار داد. در صورت مشاهده‌ی خصوصیاتی مطلوب از این مواد، می‌توان آن‌ها را جهت سنتز به جامعه‌ی علمی جهانی یا گروه‌های تجربی همکار پیشنهاد کرد. به اعتقاد نویسنده این روش می‌تواند روند طراحی هدفمند مواد جهت استفاده در انرژی هسته‌ای را بهینه کند.


منابع و مراجع:
  1. Highly Efficient Separation of Trivalent Minor Actinides by a Layered Metal Sulfide (KInSn2S6) from Acidic Radioactive Waste, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 16494–16497.
  2. Quantum Chemistry Study of Uranium(VI), Neptunium(V), and Plutonium(IV,VI) Complexes with Preorganized Tetradentate Phenanthrolineamide Ligands, Inorg. Chem., 2014, 53 , 10846–10853.
  3. Complexation of Lanthanides(III), Americium(III), and Uranium(VI) with Bitopic N,O Ligands: an Experimental and Theoretical Study, Inorg. Chem., 2011, 50, 6557–6566.
  4. Complexation thermodynamics of diglycolamide with f-elements: solvent extraction and density functional theory analysis, Phys. Chem. Chem. Phys., 2016,18, 9816-9828.
  5. Loading Actinides in Multilayered Structures for Nuclear Waste Treatment: The First Case Study of Uranium Capture with Vanadium Carbide MXene, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 16396–16403.
  6. Theoretical Actinide Molecular Science, Acc. Chem. Res., 2010, 43 , 19–29
  7. Carbon diffusion in molten uranium: an ab initio molecular dynamics study, Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 2018, 26, 035013.
  8. Modeling and simulation of nuclear fuel materials, Energy Environ. Sci., 2010,3, 1406-1426.
  9. Unit mechanisms of fission gas release: Current understanding and future needs, J. Nuc. Mat., 2018, 03, 016.
  10. Molecular Dynamics Simulation of Thermal Transport in UO2 Containing Uranium, Oxygen, and Fission-product Defects. Phys. Rev. Applied, 2017, 6, 044015.
  11. Oxygen diffusion in Gd-doped mixed oxides. J. Nuc. Mat., 2017, 10, 036
  12. Atomistic investigation of the structure and transport properties of tilt grain boundaries of UO2. J. Nuc. Mat., 2014,11,120.
  13. Helium trapping and clustering in ThO2. J. Nuc. Mat., 2018, 05, 006.
  14. Density Functional Theory Studies of the Electronic Structure of Solid State Actinide Oxides, Chem. Rev., 2013, 113, 1063–1096.
  15. Object kinetic Monte Carlo study of the effect of grain boundaries in martensitic Fe-Cr-C alloys, phys. status solidi (a), 2016, 213, 2981-2987
  16. Hydrogen accumulation around dislocation loops and edge dislocations: from atomistic to mesoscopic scales in BCC tungsten, Phys. Scripta, 2017, T170, 014073.
  17. Simulations of atomic deuterium exposure in self-damaged tungsten, Nuclear Fusion, 2017, 57, 056002.
  18. Diffusion properties of Fe–C systems studied by using kinetic activation–relaxation technique, Com. Mat. Sci. 2016, 112, 96-106.
  19. Nanostructure evolution under irradiation of Fe(C)MnNi model alloys for reactor pressure vessel steels, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions w, ith Materials and Atoms, 2015, 352, 56-60.
  20. Modelling self trapping and trap mutation in tungsten using DFT and Molecular Dynamics with an empirical potential based on DFT, Journal of Nuclear Materials 2014, 455, 10-15.
  21. Atomic Scale Simulation of Irradiated Nuclear Fuel, http://abulafia.mt.ic.ac.uk/publications/theses/michael-cooper/
  22. Atomistic Scale Simulation of Materials for Future Nuclear Reactors, http://abulafia.mt.ic.ac.uk/publications/theses/simon-middleburgh/
  23. Atomic Scale Modelling of Phosphate Mineral Phases for Nuclear Waste Form Development, http://abulafia.mt.ic.ac.uk/publications/theses/eleanor-jay/
  24. Atomic Scale Simulations for Waste Form Applications, http://abulafia.mt.ic.ac.uk/publications/theses/cleave/
  25. http://uspex-team.org/en/
  26. http://www.calypso.cn/
كلمات كليدي :
مواد هوشمند , سوخت هسته ای , فناوری های کوانتومی
 
امتیاز دهی
 
 

بيشتر
login