Самодиффузия кислорода в сверхстехиометрическом диоксиде урана в области суперионного фазового перехода

Методом молекулярной динамики (МД) с использованием потенциала парного взаимодействия, восстановленного по данным теплового расширения решетки UO$_2$, проведено исследование самодиффузии кислорода в области суперионного перехода (1300–3000 K) для кристаллов сверхстехиометрического диоксида урана – UO$_{2+x}$. Показано, что для всех исследованных составов ($x$ = 0.000, 0.008, 0.03) на температурной зависимости коэффициентов самодиффузии кислорода в UO$_{2+x}$ $(\ln(D)=f(1/T))$ могут быть выделены три температурных участка, соответствующие кристаллическому, переходному и суперионному состояниям UO$_{2+x}$, описываемым аррениусовскими зависимостями. При низкой температуре (1300–1820 K) энергии активации диффузии кислорода для указанных выше составов равны 2.66 $\pm$ 0.44, 1.33 $\pm$ 0.1, 1.0 $\pm$ 0.09 eV соответственно. В начале переходной области энергии активации для указанных составов возрастают до значений 3.40 $\pm$ 0.11, 2.24 $\pm$ 0.1, 1.66 $\pm$ 0.6 eV. В области суперионного состояния энергия активации самодиффузии кислорода для всех исследованных составов в пределах погрешности одинакова – 1.25 $\pm$ 0.15 eV. Показано, что при увеличении содержания кислорода в UO$_{2+x}$ температура фазового перехода существенно снижается и при $x$ = 0.2 может достигать 1600 K. Проведено сравнение с данными экспериментальных низкотемпературных измерений коэффициентов диффузии кислорода, данными моделирования UO$_2$ на графических процессорах, указывающее на совпадение результатов.
Сравнением концентрации МД-зависимостей коэффициентов диффузии кислорода с экспериментом показано, что их количественные расчеты в UO$_{2+x}$ при используемом типе потенциала возможны лишь до составов с $x<$ 0.03.