Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Согласно такому анализу распухание за счет образования пор идентифицируется как наиболее вероятный процесс радиационного повреждения. При этом анализе определяются также свойства и параметры конкретных дефектов, которые нужно получить для
Number 26 2000 Los Alamos Science
277
Радиационные эффекты в плутонии
Пробег урана 12 нм
Область каскада 7,5 нм
2290 пар Френкеля
более реалистической оценки. Благодаря проведенному анализу мы запланировали и подготовили эксперименты с использованием плутония, обогащенного короткоживущим изотопом Ри-238. Так как скорость а-распада плуто-ния-238 почти в 300 раз выше скорости а-распада плутония-239, то ядра гелия и радиационные повреждения в образце можно накопить ускоренными темпами. Такое ускорение процессов поможет получить данные по старению плутония всего лишь за несколько лет.
Первичные радиационные эффекты в плутонии
Радиационные повреждения накапливаются в металлах в результате сложной последовательности событий, развивающихся в различных масштабах времени и длины. На рис. 2 схематически представлены начальные процессы, происходящие в плутонии. Ядро плутония распадается с образованием ядер урана и гелия. В решетке эти дочерние ядра разлетаются в противоположных направлениях. На своем пути, и особенно в конце пробега, они инициируют каскад столкновений, в ко-
Пробег гелия 10 MKM
5 МэВ /-N °
----------------------------> (He) О
Область каскада 0,8 нм 265 пар Френкеля
Пара Френкеля:
О - вакансия О - междоузельный атом
торых передается энергия и импульс электронам и атомам вещества. Атомы плутония могут оказаться смещенными, или выбитыми, из узлов решетки, тем самым создавая многочисленные вакансии. Смещенный атом плутония в конце концов придет в состояние покоя, заняв положение в междоузлии (между нормальными узлами решетки), став “междоузельным атомом”. Поэтому при каждом смещении создается так называемая пара Френкеля, представляющая собой комбинацию вакансии и междоузельного атома, а при каждом акте распада создается множество пар Френкеля.
Многие из процессов, характеризующих распад, не изучены для плутония, но начальное накопление атомов гелия и дефектов Френкеля можно оценить достаточно надежно. Эти оценки различны для разного изотопного состава плутония.
Типичный изотопный состав оружейного материала показан в табл. I, в которой, помимо всего прочего, приводится вклад каждого изотопа в скорость образования гелия в год. Общая скорость образования гелия умеренная - около 41,1 атомных частей на миллион в год. Например, в течение 10 лет накопится 411
атомов гелия на каждый миллион атомов плутония, при этом концентрация гелия составит около 0,04 ат. %.
В последнем столбце табл. I приведены наши оценки скорости, с которой продукты распада смещают атомы плутония из их нормальных позиций в решетке, в единицах “смещение на атом в год” (сна/г). Чтобы получить эту скорость, мы сначала определяем число смещений на акт распада (нормированное на число атомов плутония в веществе) и затем умножаем его на число актов распада в год. Последнее рассчитывается из периода полураспада плутония.
Теория диссипации энергии Линхар-да-Шарфа-Шиотта в сочетании с процедурой, кратко описанной в работе (Robinson 1994), позволяет определить число смещенных атомов на один акт распада плутония. В табл. II приведены результаты этой оценки для изотопа плутония-239. В принципе продукты распада (уран и гелий) могут повредить кристаллическую решетку путем столкновений с атомами плутония и со связанными и свободными электронами. Однако ядро гелия высокой энергии теряет 99,9 % своей энергии в 5 МэВ в результате столкновений с электронами. Только при движении с низкой энергией в конце пробега оно будет создавать смещения. Напротив, около 75 % из 85 кэВ кинетической энергии ядра урана приводит к смещению атомов плутония.
Чтобы рассчитать количество смещений, необходимо знать так называемую энергию смещения, Ecm, то есть минимальную кинетическую энергию, которую атом должен получить для того, чтобы сместиться из своего устойчивого положения в решетке. Значение Ecm для плутония еще не измерено, HO разумную оценку можно получить при использовании эмпирической зависимости:
^cm =175 к^Тш , (1)
где кв - константа Больцмана и Tnjl -температура плавления металла. Используя температуру плавления плутония Tmi = 913 К, получаем значение Ecm = ~ 14 эВ. Ядру отдачи нужно передать, по крайней мере, это количество
Рис. 2. Распад плутония и образование дефектов
Плутоний распадается с образованием урана при испускании а-частицы. а-частица (ядро гелия) отбирает большую часть энергии и имеет пробег примерно 10 мкм в кристалле плутония. В результате испускания а-частицы тяжелое ядро урана испытывает отдачу (отскакивает). Оно получает намного меньшую энергию, и его пробег составляет лишь около 12 нм. Обе частицы создают повреждения кристаллической решетки в виде пар Френкеля, т. е. вакансий и междоузельных атомов, преимущественно в конце своих пробегов. Большинство повреждений связано с ядром урана и ограничивается областью каскада столкновений указанного размера
