Обычно материалы расширяются при нагреве. Чем выше температура, тем сильнее колеблются атомы, они сильнее отталкиваются друг от друга и занимают больший объем. Но у одной из фаз плутония — дельта-плутония — все происходит наоборот. При температурах выше комнатной он необъяснимо сжимается. В рамках своей работы по национальной безопасности Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса стремится предсказать поведение плутония во всех его фазах. Разгадка тайны аномального поведения дельта-плутония — важный шаг на этом пути.

В новом исследовании, опубликованном в издании Reports on Progress in Physics, ученые лаборатории представили модель, которая может воспроизвести и объяснить термическое поведение и необычные свойства дельта-плутония. Эта модель вычисляет свободную энергию материала — величину, которая отражает количество доступной или полезной энергии в системе.

Свободная энергия определяет состояние материала, поэтому это фундаментальная основа для его понимания, — говорит ученый лаборатории и автор работы Пер Сёдерлинд. — Колоссальные усилия в Ливерморе направлены на предсказание поведения плутония. Уверенность в этих предсказаниях зависит от глубокого теоретического понимания его электронной структуры и свободной энергии.

Электронная структура плутония — одна из самых сложных среди всех металлов. Его электроны легко поддаются влиянию релятивистских эффектов, магнетизма и кристаллической структуры.

Новая модель свободной энергии впервые учитывает эффекты магнитных флуктуаций.

Наша модель уникальна и нова, потому что она включает магнитные состояния, которые могут флуктуировать и зависеть от температуры, — объясняет Сёдерлинд.

Учет этих магнитных состояний в теории заставляет ее совпасть со странными экспериментальными наблюдениями сжатия при высоких температурах.

Этот подход можно применить и к другим материалам, где важную роль играет динамический магнетизм, например, к железу и его сплавам, что важно в геофизике. В дальнейшем авторы планируют изучить влияние микроструктуры, дефектов и несовершенств, которые присутствуют в реальных материалах.

Реальная польза этого исследования выходит далеко за рамки чистой науки. Понимание и точное предсказание поведения плутония — основа безопасного хранения, транспортировки и утилизации ядерных материалов. Новая модель, объясняющая аномалии дельта-плутония, позволяет создавать более точные компьютерные симуляции. Это критически важно для:

• Прогнозирования старения ядерных боеприпасов и топлива, что напрямую связано с национальной безопасностью.
• Разработки новых сплавов на основе плутония или других сложных металлов (например, актиноидов) с заданными свойствами.
• Фундаментального прогресса в материаловедении: методология учета магнитных флуктуаций может быть перенесена на другие «проблемные» материалы, такие как некоторые фазы стали или геофизические материалы в ядре Земли, что улучшит наши модели планеты.

Основное замечание касается идеализации модели. Авторы прямо указывают, что их следующая задача — учесть дефекты и микроструктуру реального материала. Пока что модель работает для идеального, «чистого» кристалла дельта-плутония. В реальности же материал всегда содержит примеси, дислокации, границы зерен, которые могут кардинально менять его поведение. Пока не будет доказано, что модель адекватно работает в условиях этих несовершенств, ее практическая применимость для решения конкретных инженерных задач (например, прогноза деформации конкретной детали) остается под вопросом. Это стандартный, но важный этап валидации любой теоретической модели.

Ранее ученые синтезировали новый изотоп плутония.