Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Number 26 2000 Los Alamos Science
15
Изменение длины (%)
Плутоний
Элемент со странными свойствами
Плутоний - мечта физика и кошмар для инженера. При незначительном воздействии металл изменяет плотность на 25%. Он может быть хрупким, как стекло, и пластичным, как алюминий; при затвердевании он расширяется - как вода при замерзании с образованием льда; его блестящая, серебристая поверхность тускнеет в течение нескольких минут после обработки. Он проявляет высокую химическую активность на воздухе и легко восстанавливается в растворе, образует множество соединений и комплексов в окружающей среде и в процессе химической обработки. При радиоактивном распаде в нем происходят изменения, в результате чего его кристаллическая решетка повреждается и в ней остаются гелий, америций, уран, нептуний и другие примеси. Плутоний повреждает материалы, которые находятся с ним в контакте, и поэтому возникают трудности при обращении с ним, его хранении и транспортировке. Только физики могли мечтать о создании и использовании такого вещества. Именно они и создали его, чтобы воспользоваться необычными ядерными свойствами плутония-239.
Плутоний - самый сложный металл
Плутоний, шестой по счету элемент в ряду актиноидов, является металлом и подобно другим металлам обладает электропроводностью (хотя и довольно низкой), является электроположительным и растворяется в неорганических кислотах. Он имеет очень высокую плотность, которая вдвое превышает плотность железа, и по мере нагревания проявляет невероятную чувствительность к температуре, претерпевая большие изменения длины, эквивалентные изменению плотности, более чем на 20%.
Шесть различных фаз плутония в твердом состоянии
ГЦ орторомбическая. ГЦК.
3 атомов в эл.ячейке
W W
3/ 4% 4 атома в эл. ячейке
& о о 9 oS о о %б% & <?
*3*° о <9 о 5 /© л
в fto O0 1
ОЦ моноклинная.
34 атома в эл. ячейке
ОЦК.
2 атома в эл. ячейке
Сжатие при плавлении
— Моноклинная. 16 атомов в эл. ячейке
Аномальное термическое расширение и фазовая нестабильность плутония
200
400
Температура (°С)
600
800
16
Los Alamos Science Number 26 2000
Исторический обзор
Таблица 1. Сравнение физических свойств плутония и других металлов
Тепло- Электрическое Металл проводность сопротивление Сжимаемость Модуль Юнга
(кал/(см*с*К)) (0м*см*10_6) (ГПа 1 ) (ГПа)
Алюминий 0,530 2,9 0,015 70
Нерж. сталь 0,036 70 0,007 180
а-Плутоний 0,010 145 0,020 100
5-Плутоний (Pu-Ga) 0,022 100 0,033 42
При определенных температурах, когда происходит превращение плутония в новую фазу и изменяется его кристаллическая структура, плотность меняется скачком. По мере нагрева до точки плавления при атмосферном давлении плутоний проходит через шесть фаз с различными кристаллическими структурами; при повышенных давлениях у него появляется седьмая фаза. При комнатной и более низких температурах он находится в состоянии хрупкой a-фазы, которая имеет необычную низкосимметричную моноклинную структуру, типичную для минералов. При температуре 583 К он переходит в высокосимметричную гранецентриро-ванную кубическую (гцк) структуру 6-фазы, плотноупакованная структура которой типична для таких металлов, как алюминий и медь.
Даже в пределах одной фазы плутоний проявляет необычное поведение. Так, термическое расширение a-фазы почти в 5 раз выше, чем железа, а 6-фаза при нагреве сжимается. Плутоний плавится при относительно низкой температуре -913 К. В процессе плавления он сжимается, поскольку плотность жидкости выше плотности предшествующей твердой фазы. В жидком состоянии плутоний имеет очень большое поверхностное натяжение и самую высокую вязкость среди всех элементов.
В таблице 1 плутоний сравнивают с другими металлами. Как и нержавеющая сталь, плутоний имеет низкую электропроводность и теплопроводность, он очень мягок, или сжимаем, - даже более, чем алюминий. Кроме того, недавно проведенные измерения показали, что при повышении температуры смягчение возрастает намного быстрее, чем ожидалось.
При температурах ниже комнатной проявляются и другие нетипичные свойства. Электрическое сопротивление плутония, уже очень высокое при комнатной температуре, растет с понижением температуры до 100 К. Необходимая для нагрева плутония энергия (теплоемкость плутония) в 10 раз выше нормальной при температурах, близких к абсолютному нулю. Его магнитная восприимчивость, также необычно высокая, остается постоянной или, по всей видимости, несколько повышается при понижении температуры, что свидетельствует о склонности к магнетизму. Ho даже при самых низких температурах в плутонии никогда не возникает
Альфа-фаза претерпела хрупкое разрушение при кручении
Температура (К) Аномальное удельное сопротивление
0,004
0,003
0,002
0,001
-
- Большинство металлов —
Nb, Mo, Ta, Hf,
— Pt, Na, К, Rb \
OC-Pu 5-Pu /
I I I
200
400 600
Температура (К)
800
Высокая магнитная восприимчивость
Number 26 2000 Los Alamos Science
17
Исторический обзор
