Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Реакция водорода с металлическим плутонием протекает с необычайно высокой скоростью. Если вся металлическая поверхность покрыта гидридом, скорость реакции очень большая - при атмосферном давлении линейная скорость распространения водорода составляет 20 см/ч, что в IO10 (в десять миллиардов) раз превышает скорость реакции в сухом воздухе. Мы не имеем полного представления об основных физико-химических процессах, определяющих эти реакции на поверхности, но они, по-видимому, касаются образования связей поверхностного слоя с металлом, а также поведения химических связей на поверхности в определенной среде.
Кроме того, плутоний является пирофорным веществом, так как он спонтанно воспламеняется в воздухе при температуре 500 0C. Макрочастицы плутония, например порошок или стружка, образующаяся в процессе механической обработки, загораются при таких низких температурах, как 150-200 0C. Из-за опасности возникновения потенциально катастрофических реакций на поверхности плутоний необходимо защищать от воздействия водорода и влаги в герметичных контейнерах.
Соединение плутония в твердой фазе с неметаллическими элементами, например кислородом, способствует четкому разделению электронного заряда между катионом плутония и анионом кислорода. Следовательно, оксид обнаруживает ярко выраженное ионное поведение в противоположность металлическому характеру, возникающему от электронов в зоне проводимости металлического плутония. На оксиды уже не влияют особенности 5f электронов. Оксиды (а также карбиды и нитриды) плутония являются огнеупорными, то есть термостойкими. Диоксид плутония (PuO2), важнейшее керамическое соединение плутония, плавится при температуре 2673 К (температура плавления металлического плутония равна 913 К) и является намного менее химически активным, чем металлический плутоний. Свойства этих соединений определяются главным образом типом кристаллической решетки (которая, в свою очередь, определяется состоянием окисления и размерами катионов и анионов) и их дефектной структурой. Следовательно, керамические соединения плутония все еще достаточно сложные, но уже не самые сложные.
Старение плутония - алхимия в действии
Как во многих металлах, старение плутония происходит снаружи вовнутрь в виде коррозии. Однако вследствие радиоактивности старение плутония протекает и изнутри наружу в результате повреждений от самооблучения. Плутоний-239 испытывает а-распад (происходит испускание а-частицы, или Не++, и превращение ядра плутония в ядро урана), в результате чего повреждается кристаллическая решетка. Самое большое повреждение происходит в результате отдачи ядра урана при а-распаде. а-частицы присоединяют электроны и становятся атомами гелия, которые могут взаимодействовать с дефектами кристаллов, такими как вакансии. Большая часть энергии, выделяемой при каждом акте распада и равной примерно
22
Los Alamos Science Number 26 2000
Исторический обзор
5 МэВ, превращается в тепло, благодаря чему плутоний нагревается и становится теплым на ощупь.
Непрерывное выделение энергии в результате радиоактивного распада приводит к повреждению кристаллической решетки плутония и трансмутации части плутония в другие элементы. Например, в 1 кг плутония за 50 лет хранения при нормальных температуре и давлении накапливается почти 0,2 л гелия. К счастью, большая часть повреждений решетки отжигается или “залечивается” при комнатной температуре. Тем не менее дефекты, представляющие собой остаточные повреждения решетки, и изменения химического состава могут повлиять на хрупкий баланс стабильности плутония при изменениях температуры, давления или химического состава. Такие дефекты могут также влиять на скорость диффузии и обуславливать распухание металлического плутония.
Радиоактивный распад может влиять на химические процессы и поверхностные явления. При высоких концентрациях плутония в растворе такой распад может вызвать изменение окислительного состояния за счет радиолиза даже при отсутствии окислительно-восстановительных агентов. Радиолитическое разложение окружающей воды может привести к восстановлению Pu(VI) и Pu(V) с образованием Pu(IV) и Pu(III) и соответственно к изменению химических свойств плутония CO временем. Радиолиз водородосодержащих веществ вблизи поверхности металлического плутония, в результате которого высвобождается водород, может очень сильно ускорить поверхностную коррозию. Поэтому при хранении особенно важно не допускать контакт плутония с водородосодержащими материалами. В геологических средах плутоний может обусловить повреждение и аморфизацию решетки основного твердого вещества, что может привести к увеличению скорости выщелачивания.
Для успешного разрешения связанных с плутонием проблем - проблем сопровождения запасов ядерного оружия, нераспространения, обеспечения безопасности окружающей среды и ядерной энергетики - требуется более глубокое фундаментальное понимание плутония в виде металла или керамик, на поверхности, в растворе и окружающей среде. ¦
Пробег атома U________Пробег He