Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
278
Los Alamos Science Number 26 2000
Таблица I. Характеристики радиоактивного распада изотопов плутония Радиационные эффекты в плутонии
Масса изотопа Период полураспада (лет) Содержание изотопа (ат. %) Энергия распада (МэВ) Энергия He(МэВ) Энергия отдачи (кэВ) Образование He (ат. частей на млн в год)* Смещение (на атом в год)
238 86,4 0,02 5,5 5,39 92,2 1,6 0,0043
239 24390 93,6 5,15 5,04 85,8 26,6 0,0679
240 6580 5,9 5,16 5,07 85,9 6,2 0,0159
241 14,98 0,44 4,89 4,84 82,0 6,7 0,0152
242 388000 0,04 4,90 4,85 81,9 0 0
Всего: 41,1 0,1033
* Определено из периода полураспада.
Таблица II. Потери энергии за счет взаимодействия с электронами и ядрами и число смещений для продуктов распада 239Pu
Продукт Кинетическая энергия (кэВ) Доля энергии, израсходованной на электроны Энергия смещений (кэВ) Число смещений
4He 235[J 5040 85,8 0,9985 0,253 7,56 64,1 265 2290
Общее число смещений на распад: 2555
энергии, чтобы сместить атом плутония. Это происходит примерно за половину всех столкновений, поскольку зачастую два ядра лишь задевают друг друга (Robinson 1994). Разделив имеющуюся энергию столкновений примерно на 2Есм, получаем суммарное число смещенных атомов плутония на акт распада плутония, которое в табл. II приведено как 2555.
Затем, возвращаясь к табл. I, вычисляем скорость смещений, которая составляет около 0,068 сна в год для плутония-239, что приводит к общей скорости 0,1033 сна в год для всех изотопов в оружейном материале. Каждый атом в кристаллической решетке плутония смещается из своего устойчивого положения один раз в десять лет. За это время в материале образуется и сохраняется около 400 атомных частей гелия на миллион.
В заключение отметим, что прямым результатом самооблучения в плутонии является накопление продуктов распада (гелия и урана) и образование дефектов решетки в виде вакансий и междоузель-ных атомов. Эти основные дефекты, которые являются дефектами на атомном уровне, в конечном счете диффун-
дируют и создают новую микроструктуру кластеров дефектов, которые в конце концов определяют макроскопические свойства (Kiritani 1994). В следующих разделах мы оценим отдаленные эффекты этих первичных повреждений на атомном уровне.
Образование гелиевых пузырьков
После акта радиоактивного распада ядро гелия высокой энергии пролетает в решетке металла, теряя энергию в столкновениях с электронами. Оно захватывает два электрона и достигает состояния покоя как атом гелия.
Что же может происходить с гелием, который накапливается в плутонии? Гелий имеет чрезвычайно низкую растворимость в твердом теле, поскольку он не связывается. Когда атом гелия останавливается в междоузлии, он может легко диффундировать в решетке до тех пор, пока не будет захвачен одной из вакансий, которые уже существовали в решетке до момента достижения гелием состояния покоя. Однако размер атома гелия со-
ставляет примерно половину размера атома металла, поэтому занимаемая им вакансия не уничтожается.
Диффузия гелия, которая происходит как путем ассоциации с вакансиями, так и путем диссоциации комплекса вакансий, исследовалась для нескольких металлов, в частности, для никеля (Adams, Wolfer 1988). Исследования показали, что при температуре окружающей среды в плутонии заведомо происходит диффузия гелия на короткое расстояние и что подвижность гелия такого же порядка, как у вакансий. С большой вероятностью атомы гелия и вакансии объединяются в кластеры, которые предшествуют образованию гелиевых пузырьков. Поэтому мы предполагаем, что в плутонии будут формироваться гелиевые пузырьки.
Ho как быстро и до какого размера? Из-за отсутствия прямых исследований на плутонии мы обратились к моделям, которые были разработаны нами при исследовании других материалов.
Образование и рост гелиевых пузырьков без радиационных повреждений можно исследовать на тритидах металла, то есть на соединениях трития с металлом. В этом случае гелий накапли-
Number 26 2000 Los Alamos Science
279
Радиационные эффекты в плутонии
Рис. 3. “Карта роста” гелиевых пузырьков для металлов
Действующий механизм зависит от температуры материала, отнесенной к температуре плавления, TITnn (гомологической температуры). Давление гелия, необходимое, чтобы вызвать рост, зависит от механизма и от металла. Однако зависимость от типа металла исчезает, если давление, необходимое для роста, соизмеримо с модулем сдвига. При низких температурах рост пузырьков происходит за счет возникновения дислокационных петель, когда давление гелия превышает одну пятую модуля сдвига. При температурах, равных половине температуры плавления и выше, давление пузырьков остается близким к значению, определяемому поверхностным натяжением основного материала, и рост происходит за счет поглощения тепловых вакансий. В промежуточном диапазоне температур рост также может иметь место для пузырьков на дислокациях и границах зерен
вается в материале в результате распада трития, но энергия его отдачи настолько мала, что смещений не происходит.