近日，俄罗斯科学院高温联合研究所与莫斯科物理技术学院(MIPT)的科研团队在《Physical Review B》杂志上发表了一项重要研究成果。该研究首次高精度地测定了液体和介质中锆在极高温度下的热物理性质，特别是在超临界状态下的特性。
这项研究得到了俄罗斯科学基金会的支持，结合了量子分子动力学的先进量子力学计算和独特的高压室超快脉冲加热实验。科研人员利用第一性原理计算确定了锆的临界点参数，包括临界温度9400K、临界密度1380kg/m³和临界压力3350个大气压。这些结果为理解锆在高温下的特性提供了重要数据，填补了之前估计范围(8000到17000K)内的空白。
研究负责人、俄罗斯高温联合研究所材料特性建模实验室高级研究员德米特里·米纳科夫表示，基于密度泛函理论和超级计算机的现代建模方法使得再现实验室中极难实现的物理条件成为可能，这对于研究极端条件下使用的材料，特别是含有锆的核反应堆材料具有重要意义。
实验中，科研人员在3000个大气压以上的压力下，通过电流超快脉冲加热锆丝样品至6000K的温度，测量了相图先前未探索区域中液相的焓和锆的电阻。实验证实，锆的电阻率在临界点附近会增加五倍。
俄罗斯科学院高温联合研究所极端能量效应实验室主任米哈伊尔·谢因德林强调，实验与理论方法的协同作用在此次研究中得到了首次证明。实验方法结合量子力学计算的结果，不仅提高了结果的可靠性，而且使研究超出现代实验能力的现象成为可能。
该研究还揭示了锆在高温下行为的许多重要特征，如等容热容在临界点附近急剧增加，而格吕奈森参数降低到理想气体值以下;锆的正常光谱发射率在4000K以内几乎保持恒定，但随着接近临界温度会增加50%;此外，还提供了有关液态锆中声速的第一个数据。
MIPT高温过程物理系主任帕维尔·列瓦肖夫指出，计算方法为理解材料特性开辟了新视野，使得构建液态和超临界状态下锆的状态方程成为可能，并重建了临界等压线，估计了液-气平衡曲线直至临界点的位置。这些数据对于开发有前景的高温技术具有重要意义。
此次研究成果对于理解材料与激光辐射相互作用时的高温行为以及模拟核能中假设的紧急情况具有实际价值。了解锆的相变和关键特性对于开发能够在极端条件下运行的新型结构材料至关重要。
德米特里·米纳科夫总结道，这项工作展示了实验与理论之间相互作用的强大力量，开启了锆研究的新篇章，解决了几十年来一直悬而未决的重要问题。同时，该项目开发的方法可以应用于其他材料，为未来材料科学和技术开辟了广阔的前景。
