Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía están trabajando para comprender tanto la naturaleza compleja del uranio como las diversas formas de óxido que puede tomar durante los pasos de procesamiento que pueden ocurrir durante todo el ciclo del combustible nuclear. Una mejor comprensión de los óxidos de uranio, quealimentar a la gran mayoría de la flota de energía nuclear de los EE. UU., podría conducir al desarrollo de combustibles mejorados o materiales de almacenamiento de residuos.
Los investigadores de ORNL abordaron este problema computacionalmente con la ayuda del entorno de cómputo y datos para la ciencia del laboratorio CADES. A través de CADES, los miembros del personal de ORNL tienen acceso a recursos informáticos que los ingenieros adaptan a proyectos específicos, lo que permite la gestión y el análisis de conjuntos de datos masivos demasiado engorrososabordar de otra manera.
Los óxidos de uranio amorfo son comunes, pero la falta de un orden estructural consistente dentro de ellos puede ser difícil de modelar. Para abordar este desafío y acelerar el proceso de identificación de nuevas fases de óxido de uranio, los científicos del Grupo de Tecnologías Avanzadas de Seguridad Nuclear de ORNL evaluaron la energíade 4.600 estructuras cristalinas potenciales diferentes de composiciones de óxido de uranio.
Utilizando algoritmos genéticos, herramientas computacionales diseñadas para resolver problemas de manera eficiente de acuerdo con la teoría de la selección natural, el equipo estudió estas estructuras en un clúster informático de alto rendimiento CADES llamado Metis, un sistema Cray XK7 de dos gabinetes.
Este método les ayudó a construir relaciones estadísticas entre la estabilidad estructural y el entorno local de uranio, dos factores que afectan la cristalinidad de las formas sólidas. Interpretar esta información podría conducir a una comprensión más concreta de cómo se forman los materiales de uranio cristalino y amorfo en el combustible nuclearciclo.
"Nuestro objetivo principal es tratar de comprender algunas de estas fases amorfas para los óxidos de uranio", dijo Ashley Shields, una asociada posdoctoral ORNL. "Surgen durante el ciclo del combustible nuclear y son difíciles de estudiar, pero esperamos que nuestro cálculo sea computacionaleste enfoque nos ayudará a caracterizar mejor las muestras de estos materiales "
Después de determinar que el proyecto requería una cantidad significativa de potencia informática, el personal de CADES proporcionó a Shields y a su equipo acceso exclusivo a todo el sistema Metis durante 15 días para evaluar estas estructuras utilizando el paquete de software de Xrystallografía Evolutiva del Predictor de Estructura Universal USPEX yPaquete de simulación de Viena ab initio VASP.
"Dado el gran número de cálculos que tuvimos que ejecutar para construir esta base de datos de estructuras, realmente necesitábamos la ayuda del equipo de CADES", dijo Shields. "Sin su apoyo, así como los recientes avances en potencia informática e investigación deotros grupos para desarrollar algoritmos genéticos específicamente aplicados a problemas de predicción de estructura, este proyecto no hubiera sido posible "
Shields y su equipo identificaron una fase cristalina potencialmente estable para un material, U 2 O 7 que solo se ha observado experimentalmente como una fase amorfa. Para aprender más sobre esta fase, estudiaron 2.700 posibles geometrías de cristal para U 2 O 7 además de las 4.600 estructuras originales. Sus hallazgos se publican en Materiales ópticos .
Porque una U amorfa 2 O 7 el material puede estar hecho de UO amorfo 3 , Andrew Miskowiec y Jennifer Niedziela de NSAT dirigieron experimentos con el objetivo de cristalizar U 2 O 7 de muestras de UO 3 . Para apoyar este esfuerzo, Shields comparó los efectos simulados de la presión en fases conocidas de UO 3 y la U prevista 2 O 7 estructura, identificando presiones donde pueden producirse cambios estructurales observables experimentalmente.
"No hemos encontrado U cristalina 2 O 7 en el laboratorio todavía, pero lo que encontramos fue un comportamiento de presión realmente inusual en UO amorfo 3 lo que nos llevó a una física realmente interesante que todavía estamos trabajando para comprender completamente ", dijo Shields.
A pesar de carecer de la prueba definitiva de U cristalina 2 O 7 la existencia, el equipo notó características en la estructura predicha que se corresponden bien con las características en U amorfo 2 O 7 . Identificaron posibles geometrías de coordinación, o patrones atómicos, en línea con el material. Lo más sorprendente entre estas observaciones fue el descubrimiento de unidades de peróxido en la estructura predicha.
"Ya se ha demostrado que es útil tener esta base de datos de estructuras porque claramente solo se miran las fases cristalinas conocidas para un material como UO 3 no proporciona suficiente información para explicar todos los comportamientos de una muestra amorfa del mismo material ", dijo Shields.
El ingeniero de sistemas Linux Ketan Maheshwari y el analista de sistemas informáticos Michael Galloway de CADES ayudaron a configurar los componentes computacionales involucrados en el proyecto, desde la modificación del código fuente para hacer que USPEX se ejecute de manera más eficiente en Metis hasta la creación de scripts de posprocesamiento, pequeñas operaciones que extraeninformación de resultados computacionales para descifrar la producción científica.
"Para ayudar al equipo a funcionar a una escala tan grande y usar GPU con éxito, instalamos y probamos VASP a escala en Metis y solucionamos los trabajos según sea necesario para garantizar que el trabajo se realizó de manera oportuna y eficiente", dijo Maheshwari.
Shields anticipa que este proyecto en curso continuará durante al menos otro año y espera otros estudios que apliquen el aprendizaje automático y los conceptos de inteligencia artificial a la investigación de la química del uranio. Actualmente, está compilando una base de datos similar compuesta de fluoruros de uranio, otro subconjunto clavede materiales involucrados en el ciclo del combustible nuclear.
Los patrocinadores de este proyecto incluyen la Administración Nacional de Seguridad Nuclear dentro del DOE y el Centro Nacional Técnico Forense Nuclear Técnico dentro del Departamento de Seguridad Nacional de los EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :