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核能作为一种清洁能源被广泛应用，然而一系列的核事故如切尔诺贝利事件以及近年的福岛核事故让人们对核电站的安全充满担忧。在核电站发生严重事故时，包壳管内以UO₂为主体的堆芯和以Zr为主体的管壁升温融毁，最终在下封头处形成以U、Zr、O元素为主体的熔池结构。在事故发生的过程中，由于燃料组件不断熔融，导致在不同时刻熔池的组分以及形成的分层结构不同，从而表现熔池中不同位置的熔融物密度、导热等物理性质均不相同。因此，研究核燃料的熔融中的液相分层过程和微观组织演化机制对核电站的安全以及发生严重事故后的处理至关重要。然而，目前对反应堆严重事故中熔融物的实验仍然具有成本高、风险大的特点，因此计算机模拟成为替代的研究手段。

近日，课题组同中国核动力研究设计院合作，开发了一套耦合了Cahn-Hillard方程和Navier-Stokes方程的相场模拟程序，能够成功模拟理论三元体系下，包括液滴形核长大、界面形成以及液相分离等液相微观组织演化过程。研究发现，演化的动力学过程由扩散和重力共同驱动，且平衡时分离相的组成以及分离相体积的相对比例，由熔池系统的平均组分在理论相图中的位置决定。并且，通过不同的掺杂手段（对应于燃料组件不断熔融进入熔池中），即使在始末微观状态相同的情况下，也能观察到不同的中间演化过渡态。在某些特定的演化路径中，还可以观察到如密度翻转、Rayleigh-Taylor Instability等液相结构演化过程中奇特的瞬时非平衡态。这项工作为真实的熔池材料U-Zr-Fe-O体系的微观组织演化的计算机模拟奠定了理论基础。

本项研究成果最近以“Morphological evolution during liquid-liquid phase separation governed by composition change pathways”为题发表在国际知名应用物理期刊Journal of Applied Physics（IF=2.877）上。西安交通大学为本论文的第一作者和第一通讯单位，论文第一作者田奔是邓俊楷教授和物理学院柯小琴副教授共同指导的研究生，材料学院邓俊楷教授、物理学院柯小琴副教授和核动力院的宫厚军研究员是论文的共同通讯作者，本项研究得到了国家重点研发计划以及中核集团领创项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0089516