Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
В каком направлении Двигаться далъще?
Вильгельм Г. Уолфер
Радиационные эффекты в плутонии
гцк гпу оцк Вакансионное распухание
3 Li 4 Be I I Распухание под воздействием газа I I Анизотропный рост 5 В 6 С 7 N 8 О 9 F 10 Ne
и Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
К Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
55 56 57 * 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
87 88 89 ** 104 105 106 107 108 109 110 in 112
Fr Ra Ac Rf На Sg Ns Hs Mt 110 111 112
58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu
90 Th 91 Pa 92 и 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr
Рис. 1. Элементы, для которых характерны изменения размеров при облучении
Для всех выделенных на рисунке элементов характерны объемные изменения при облучении вследствие распухания при образовании пустот, гелиевых пузырьков (под действием газа) или анизотропного роста. Для элементов, которые не выделены, еще не исследовали радиационно-стимулированное распухание или рост. Элементы, в которых наблюдается вакансионное распухание, имеют гцк, гпу или оцк кристаллическую структуру
Сегодня необходимо решить ряд сложнейших технических задач, чтобы обеспечить уверенность в надежности ядерных арсеналов США при отсутствии испытаний. Главной среди них является оценка эффектов старения плутония в центральной части первичного заряда ядерного оружия. С точки зрения старения плутоний уязвим, так как он - радиоактивный элемент, который распадается с образованием урана и а-частицы (ядра гелия Не++ большой энергии). Несмотря на то, что период полураспада плутония-239, основного изотопа оружейного плутония, достаточно большой - 24000 лет, скорость его распада все же высока и это может привести к значительному накоплению гелия и радиационному повреждению этого металла уже через несколько десятилетий. Радиационное повреждение обуславливается главным образом ядрами урана, которые получают энергию отдачи в результате распада, достаточную для выбивания атомов плутония из узлов кристаллической решетки металла. В результате там возникают пустые места, или вакансии.
Исследование радиационных повреждений во многих металлах показало, что дефекты этих двух типов (гелий в комбинации с вакансиями решетки) могут создавать макроскопический эффект, называемый распуханием. На микроскопическом уровне вакансии диффундируют в металле, объединяются и образуют кластеры, или поры (пустые пространства). С макроскопической точки зрения это проявляется в том, что металл распухает (увеличивается его объем). На рис. 1 показаны те металлические элементы, для которых наблюдали вакансионное распухание в результате воздействия излучения. Кроме того, распухание за счет пустот наблюдали и исследовали во многих сплавах.
Полученные к настоящему времени экспериментальные данные показывают, что все исследованные металлы и сплавы чувствительны к распуханию при высоких дозах облучения и в соответствующем диапазоне температур. Этот диапазон температур составляет примерно от одной трети до трех пятых температуры плавления металла или сплава. Основываясь на этих данных, автор и другие исследователи раз-
работали прогностические модели по многим аспектам процесса распухания, включая образование вакансий в решетке, гелия, их подвижность и эволюцию кластеров дефектов. Наши модели прогнозируют и макроскопические эффекты, такие как время до начала распухания и стационарный, или линейный, рост распухания, который в конечном счете происходит. Время, необходимое для того, чтобы началось распухание, прогнозировать труднее всего, поскольку оно определяется конкретными свойствами основного металла, включая его микроструктуру, состав и наличие примесей. (Обсуждение микроструктурных дефектов и дислокаций смотри в статьях “Плутоний и его сплавы” на с. 292 и “Механические свойства плутония и его сплавов” на с. 338.)
Существует ряд актуальных вопросов, касающихся радиационных эффектов в плутонии. Например, как долго плутоний в центральной части оружия будет сохранять свои размер, форму, прочность и пластичность при повреждении в результате самооблучения во всем объеме? Будет ли материал претерпевать превращение 6-фазы в более плотную и хрупкую a-фазу? Станет ли он менее прочным и склонным к раз-
рушению в результате накопления точечных дефектов и дислокаций? Нам хотелось бы применить свои модели к плутонию, чтобы ответить на эти вопросы, но, к сожалению, имеется очень немного данных об экспериментах при нормальной температуре и крайне мало данных по структуре и свойствам ради-ационностимулированных дефектов в плутонии.
Мы провели предварительную оценку радиационных повреждений в стабилизированной галлием 6-фазе плутония в предположении, что он относится к семейству “нормальных” металлов с гцк структурой. То есть мы предположили, что свойства дефектов его решетки аналогичны свойствам дефектов решетки других металлов с гцк структурой, таких как никель, медь и аустенитные нержавеющие стали. Затем мы использовали свои модели для прогнозирования вероятной последовательности развития радиационных повреждений.
