Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Пластичность, замечательное свойство металлов, не обязательно является продолжительной по времени. По мере того, как плоскость атомов скользит, некоторые атомы могут двигаться не равномерно. И когда все больше и больше плоскостей “скользит неправильно”, происходит накопление несовпадений и металл становится прочнее, то есть требуется большее усилие, чтобы деформировать или разрушить его. Этот процесс называется упрочнением. Альфа-плуто-ний является примером хрупкого от природы и прочного вещества. В представленной на рис. 9 структуре а-плутония видно, что скольжение плоскостей относительно друг друга в любом направлении было бы чрезвычайно трудным, потому что атомы больше не соответствуют друг другу. Напротив, в б-фазе плутония плоскости скользят очень легко, как в алюминии.
С другой стороны было показано, что свежеизготовленные монокристаллы очень чистого а-урана можно легко изогнуть руками. Предполагается, что монокристаллы будут легче гнуться, потому что у них нет границ зерен и дислокаций, сдерживающих скольжение. Однако кристаллы урана оказались мягче, чем предполагалось. Мы знаем, что уран деформируется путем образования двойников, структура которых представляет собой зеркальное отражение структуры относительно плоской границы раздела. В общем случае низкосимметричные структуры имеют больше плоскостей, которые могут служить границами между образующимися двойниками, а это означает, что если бы мы имели монокристаллы очень чистого а-плутония, они были бы намного мягче любых других кристаллов, которые мы когда-либо видели. Более полное описание этих металлургических свойств приведено в статье “Плутоний и его сплавы” на с. 292.
К сожалению, б-плутоний не очень стабилен. При давлении всего лишь в ~1 кбар б-плутоний превращается в низкосимметричную фазу, такую как а-плутоний. Вызывающая удивление обратимость этого превращения наблюдалась при разрушении a-фазы и описана в статье “Плутоний и его сплавы”. Поверхность разрушенного а-плуто-ния обычного уровня чистоты оказывается неровной (с зазубринами) и излом
такой, который следует ожидать в случае хрупкого металла с моноклинной структурой. Однако в электронном микроскопе поверхность выглядит покрытой вязкой рябью, наподобие поверхности разделенных половинок сэндвича с арахисовым маслом. Такая рябь (ямки) никогда не наблюдается в хрупких материалах, потому что не возникает пластичный поток, требуемый для их образования. Тогда откуда же появилась такая рябь? Хотя последующее объяснение пока еще не доказано, полагают, что при разрушении а-плутония в области у вершины трещины создается гидростатическое растяжение. Растяжение, или эффективное отрицательное давление, в этой области немедленно приводит к превращению а- в б-фазу. После того как разрушение прошло во всей области, материал релаксирует и возвращается в a-фазу. Изучение поверхности разрушения показывает, что плутоний легко переходит из a-фазы в б-фазу и обратно и что удаление атомов друг от друга (при гидростатическом растяжении) стабилизирует гцк фазу, что и следовало ожидать. Такое быстрое превращение в б-фазу приводит к увеличению объема на 26%.
На рис. 17 показана сложная картина изменения длины металлического плутония при нагревании. До достижения точки плавления плутоний проходит шесть фаз твердого тела, при этом
б-фаза имеет наименьшую плотность (и наиболее локализованные f электроны) по сравнению со всеми другими фаза-
ми, включая жидкое состояние. Эти изменения объема не только представляют труднообъяснимую задачу для физиков, но и создают чрезвьиайно много хлопот для металлургов. Например, при затвердевании плутония в процессе литья из жидкого состояния металл расширяется (смотри заметку “Плутоний в жидком состоянии”) и таким образом полностью заполняет литейную форму. Однако при последующем охлаждении многие объемные изменения приводят к образованию пустот, которые нарушают структурную целостность литого плутония.
Другой удивительной особенностью является то, что б-плутоний при нагревании сжимается, как показывает рис. 17. Вспомните, что тепловое расширение является ангармоническим эффектом и, следовательно, непредсказуемым обычными гармоническими моделями твердого тела. В гармонических моделях твердое тело описывается как множество масс, объединенных силами упругости. То есть потенциальная энергия как функция расстояния между соседними атомами является параболой, а силы линейны в смещении от равновесия, так же как для пружин. В этих моделях коэффициент теплового расширения всегда равен нулю, и это справедливо для всех четных степеней потенциальной энергии как функции межатомного расстояния.
Таким образом, общее убеждение в том, что атомы при высоких температурах колеблются больше и потому занимают большее пространство, не яв-
114
Los Alamos Science Number 26 2000
Плутоний. Физика конденсированного вещества
Логарифм межатомного расстояния
Рис. 18. Модифицированная связь в плутонии с меньшим числом связывающих 5f электронов
Ha этом рисунке показано, каким образом изменится связь, если в зоне проводимости вместо обычных пяти будет только один 5f электрон, а другие четыре электрона будут локализованы в узлах решетки. Мы иллюстрируем влияние такой локализации, искусственно снижая вклад f зоны в образование связи приблизительно на 80% относительно результатов, графически представленных на рис. 12. В этом случае член отталкивания электронов s-p не уравновешивается членом связи f электронов, и решетка должна расшириться, чтобы достичь нового состояния равновесия
