Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Физика arrow Физическое материаловедение. Ч. 3. Материалы энергетики и энергосбережения

1.2.3. Плутоний

Плутоний - серебристо-белый металл, при температурах от комнатной до 913 К имеет шесть аллотропных модификаций: альфа (моноклинная), бета (моноклинная), гамма (ромбическая), дельта (кубическая), эпсилон (кубическая), дельташтрих (тетрагональная). Температуры переходов: а-Р -395 К, Р-у - 476 К, у-8 - 590 К, 5-8 - 726 К, 5-е - 750 К. Энергетические уровни данных фаз довольно близки, поэтому плутоний очень чувствителен к изменениям температуры, давления и химического состава. Среди его шести аллотропных модификаций наибольший научный и практический интерес представляют а- и 6-фазы. Аллотропные превращения Ри сопровождаются скачкообразными изменениями плотности. Уникальная особенность металлического плутония состоит в том, что при нагревании от 583 до 753 К он ие расширяется, как другие металлы, а сжимается. Плотность варьируется от 19,8 (а-плутония) до 15,9 (6-плутония) г/см3.

При нагреве плутония от комнатной температуры до температуры выше 423 К происходит быстрое превращение а-фазы в одну из высокотемпературных фаз. На кинетику а-р-превра- щеиия вплоть до 403 К влияют величина зерна а-фазы и примеси, а также форма и объем образца. Максимальная скорость Р-а-превращения лежит в интервале от 253 до 233 К. Скорость уменьшается при предшествующей пластической деформации в Р-области и увеличении размеров образцов. Превращение Р-а может происходить как диффузионным, так и сдвиговым путем.

Превращение Р-у при температурах выше 473 К протекает очень быстро: при 523 К начинается через 1-2 с и заканчивается через 20 с. При 468 К оно протекает очень медленно: начинается через 15 мин и заканчивается через 24 ч. Фазовые превращения в плутонии, сопровождаемые большими объемными изменениями, которые могут иметь разные знаки, вызывают появление в нем микротрещин. Их количество и размеры значительно возрастают при циклических нагревах и охлаждениях металла через температуру а-Р-превращения.

Прямые наблюдения фазовых превращений в плутонии - задача очень сложная из-за его химической активности и радиоактивной природы. Кроме того, большое число аллотропных модификаций и сильные искажения поверхности образцов также затрудняют такие наблюдения. В связи с этим значительная часть информации о механизмах превращений в плутонии и его сплавах основана на косвенных данных, полученных методами дилатометрии, дифференциального термического анализа и другими методами, используемыми для изучения кинетики реакций.

Плутоний стабильных изотопов не имеет. В настоящее время известно его 16 изотопов. Они все являются радиоактивными. Из них наиболее важен а-радиоактивиый -39Ри (Г1/2 = = 2,4 • 104 лет), которому обычно сопутствуют изотопы 24()Ри, 241 Ри и 242Ри. При длительном хранении изотопный состав плутония изменяется. Так, 241 Ри в результате р-распада превращается в 24'Am, что уменьшает общее содержание делящихся изотопов. При хранении в течение 10 лет потери делящегося плутония могут достигать 9%, а в течение 20 лет - 14%. Ядра 239Ри способны к цепной реакции деления под действием нейтронов. В природе плутоний находится преимущественно в виде диоксида РиО„ количество которого настолько мало, что добыча его нецелесообразна. Конфигурация трех внешних электронных оболочек атома плутония - 5s25p('5dl05/’6s26p2Ts2. Плутоний существует в четырех валентных состояниях: (III), (IV), (V), (VI). Имеется несколько соединений, например PuS, в которых валентное состояние плутония равно (II), однако считается, что связь в них главным образом металлическая. Различные валентности плутония возникают вследствие близости электронных энергетических уровней.

Химические свойства плутония во многом сходны со свойствами урана. Плутоний образует соединения со степенями окисления от +2 до +7. Известны оксиды РиО, Ри203, Ри02 и фаза переменного состава Ри-,03 - Ри407. В соединениях с галогенами плутоний обычно проявляет степень окисления +3, по известны также галогениды PuF4, PuF6 и PuCl4. Плутоний образует устойчивые соединения со всеми неметаллами, за исключением редких газов. Большинство простых неорганических соединений плутония довольно устойчивы. Почти все его соединения могут быть переведены в диоксид Ри02 прокаливанием на воздухе при температуре 1273 К. Коррозия плутония на воздухе при повышенных температурах зависит от его фазового состояния (рис. 1.4).

При температуре 478 К, когда устойчива P-фаза плутония, скорость окисления имеет линейный характер, что свидетельствует об образовании пористой оксидной пленки. С наиболее высокой скоростью окисляется у-плутопий (при температуре 578 К), в то время как скорость окисления 5-плутония (при температуре 689 К) значительно меньше, и она подчиняется параболическому закону (оксидная пленка является защитной). Скорость окисления е-фазы вначале изменяется по параболическому закону, но затем быстро возрастает (в результате увеличения температуры за счет теплоты реакции при 487 °С), что приводит к самопроизвольному воспламенению плутония.

Со щелочными металлами плутоний в твердом состоянии не взаимодействует. Для большинства соединений щелочные металлы являются активными восстановителями. Установле-

Коррозия чистого плутония на воздухе при различных температурах

Рис. 1.4. Коррозия чистого плутония на воздухе при различных температурах

но, что с медыо плутоний образует ряд соединений: PuCu4 и PuCu6. Из щелочно-земельных металлов плутоний образует химические соединения с бериллием и магнием.

С элементами III группы плутоний образует области твердых растворов на основе е- и 5-фаз, причем растворимость элементов зависит от порядкового номера, изменяясь, например, для 5-фазы от 13,6 ат.% в системе плутоний-алюминий до 3% в системе плутоний-таллий. Типичным примером является система плутоний-алюминий, которая характеризуется наличием пяти химических соединений: Pu3Al, PuAl, PuA12, PuAl3, PuA14.

В алюминии плутоний практически нерастворим во всем интервале температур. Сплавы на основе алюминия состоят из включений интерметаллида PuAI4 в алюминиевой матрице, что позволяет их использовать в дисперсных твэлах.

С индием и таллием, имеющими значительно больший атомный радиус, чем алюминий, количество химических соединений уменьшается. С элементами IV группы - кремнием, германием, оловом и свинцом - плутоний образует ряд химических соединений, однако способность к формированию химических соединений понижается с увеличением атомного номера элемента. Плутоний взаимодействует с элементом V группы - висмутом, с переходными элементами IV группы - титаном, цирконием и гафнием образует твердые растворы на основе решеток е- и 5-фаз.

С торием и ураном плутоний создает области твердых растворов. Непрерывные ряды твердых растворов образуют

8-плутоний и у-уран. Растворимость урана в а- и особенно в (3-фазе плутония значительна, в то время как в у- и 5-фазах она невелика. Такой характер взаимодействия является следствием близкой химической природы металлов, принадлежащих к группе 5/-элементов и обладающих сходным строением внешней части электронной оболочки.

Металлический плутоний имеет низкую радиационную стойкость. Так, облучение нелегированного плутония при температуре 623-673 К (область 5-фазы) с 44 циклами охлаждения до температуры у- и (3-фаз (423-473 К) привело к разрушению образца и показало полную непригодность этого металла для использования в чистом виде в качестве ядерного горючего. Уран-плутониевые сплавы с 7,5 и 10 ат.% плутония, облученные при температуре 773-973 К и 588-673 К соответственно, также имеют недостаточную радиационную стойкость: как и в случае чистого урана, причиной их размерной нестабильности следует считать радиационный рост (выше 673 К). Необходимо отметить, что у образцов, выдавленных в «-фазе, при облучении наблюдается удлинение, обратное по направлению тому, которое испытывает текстурированный уран, причем величина удлинения зависит от содержания плутония. Предотвратить радиационный рост позволяет термообработка данных сплавов.

Радиационная стойкость уран-плутониевых сплавов (до 10-15% Ри) повышается при дополнительном легировании их молибденом в количестве 28% атомного содержания. Радиационная стойкость сплавов системы ТЬ-Ри выше, чем у сплавов системы и-Ри. Известно большое число сплавов и интерметаллических соединений плутония с А1, Ве, Со, Ре, Mg, N1, Ag.

При комнатной температуре предел прочности плутония составляет 356 МПа, предел текучести - 225 МПа, относительное удлинение - 0,068%. При температуре 598 К эти значения составляют соответственно 14,1 МПа, 11,5 МПа и 50,1%.

Механическая прочность «- и (3-фаз поликристаллического нелегированного плутония сильно зависит от температуры. При комнатной температуре плутоний обладает высокой прочностью и низкой пластичностью, т.е. является хрупким металлом. В области а-фазы из-за высокой хрупкости он с трудом поддается деформации. В области 5-фазы (583-723 К) плутоний пластичен и может быть подвергнут всем видам обработки давлением: прессованию, ковке, штамповке, вытяжке.

Типичные кривые напряжение-деформация при комнатной температуре для нелегированного моноклинного «-плутония и гранецентрированпого кубического 6-фазного сплава Ри с 1,7 ат.% ва приведены на рис. 1.5. Для «-плутония предел упругости практически совпадает с напряжением разрушения. Пластичный сплав Ри-1,7 ат.% Оа испытывает деформационное упрочнение при пластическом течении до вязкого разрушения.

Кривая напряжение-деформация для плутония при растяжении

Рис. 1.5. Кривая напряжение-деформация для плутония при растяжении

Упругие постоянные монокристаллов 5-фазных сплавов плутония обнаруживают высокую анизотропию при комнатной температуре.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы