Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
Фазовая диаграмма давление-температура для нелегированного плутония (Liptai, Friddle 1967) расположена выше фазовой диаграммы Np-Pu (Ellinger et al. 1968), чтобы продемонстрировать их поразительное сходство. Добавка нептуния к плутонию действует подобно приложению давления. В обоих случаях температура плавления сначала понижается, области а- и (3-фаз расширяются и появляется новая фаза, обозначенная как ? или ц . По аналогии добавка америция может имитировать гидростатическое растяжение (т. е. отрицательное давление). Добавка америция способствует сохранению гцк 5-фазы в широком диапазоне составов диаграммы состояния
ными, чем жидкая, и температура плавления растет.
Расчеты Уилса и Эриксона показывают, что при непрерывном повышении давления f зона расширяется, делая энергетически невыгодным понижение энергии кристалла за счет искажения Пайерлса и тем самым в конечном счете стабилизируя высокосимметричные кубические или гпу структуры. Давление также увеличивает перекрытие 5f зон в америции и более тяжелых актиноидах, приводя к формированию низкосимметричных структур, за которыми по мере повышения давления будут следовать и высокосимметричные структуры. Можно утверждать, что отрицательное давление (гидростатическое растяжение), примененное к моноклинной a-фазе, должно уменьшить перекрытие 5f электронов, тем самым увеличивая объем и способствуя
образованию высокотемпературных кубических 6- или 8-структур. Применение отрицательного давления, разумеется, задача непростая.
В 80-е годы Рид Эллиот из Лос-Ала-моса предложил очень информативный способ рассмотрения возможных эффектов давления (неопубликованная работа). Он сравнил фазовую диаграмму плутония давление-температура с фазовыми диаграммами плутоний-нептуний и плутоний-америций (рис. 17). Эллиот отметил, что добавка нептуния к плутонию вызывает такой же эффект, как и повышение давления в нелегированном плутонии. Сначала температура плавления понижается, низкотемпературные плотные фазы стабилизируются; высокотемпературные фазы с большим объемом становятся менее устойчивыми. Появляется новая фаза, которая очень похожа на новую ^-фазу высоко-
го давления в нелегированном плутонии. Действительно, эта часть диаграммы со стороны плутония почти идентична диаграмме давление-температура для нелегированного плутония. С другой стороны, добавка америция имитирует приложение отрицательного давления (гидростатического растяжения). Фазы с большим объемом стабилизируются, низкосимметричные высокоплотные фазы быстро исчезают, а температура плавления растет. Такая точка зрения согласуется с тем фактом, что при переходе от плутония к нептунию f связь усиливается, а при переходе от плутония к америцию - ослабевает.
Легирование и современные достижения в понимании 6-фазы. Легирование плутония различными элементами приводит к значительным изменениям его фазовой стабильности, как следу-
Number 26 2000 Los Alamos Science
315
Плутоний и его сплавы
Рис. 18. Влияние легирования на стабильность плутония
Небольшие добавки некоторых элементов могут стабилизировать фазы плутония с большим объемом. На фазовой диаграмме Pu-Ga показано, что при добавке всего нескольких атомных процентов галлия образуется твердый раствор на основе гцк 5-фазы плутония, который сохраняется при комнатной температуре. Остальная часть диаграммы иллюстрирует необыкновенную сложность и разнообразие поведения сплавов. В системе Pu-Ga существует 11 различных интерметаллических соединений и несколько новых фаз, которые отличаются от нелегированного плутония или галлия (Peterson, Kassner 1988)
ет из рис. 17 (добавки нептуния и америция) и рис. 18 (добавка галлия). Влияние легирования предсказать намного сложнее, чем влияние температуры (см. вставку “Предсказание эффектов легирования” на с. 317).
Поскольку 6-фазные сплавы плутония представляют особый интерес, сделаю обзор нашего сегодняшнего понимания гцк 6-фазы, которая существует в нелегированном плутонии в интервале температур от 583 до 725 К. 6-фаза более всего похожа на структуру такого типичного металла, как алюминий. Оказывается, что 6- и 6 -фазы выпадают из линейной зависимости свойств фаз плутония (на рис. 1 кривая термического расширения 8-фазы почти точно экстраполируется на линию у-фазы). Из всех фаз плутония 6-фаза имеет наибольший атомный объем несмотря на плот-ноупакованную структуру. Ее объем находится между объемом а-плутония и америция (см. рис. 9). Эти свойства еще предстоит объяснить, а устойчивость 6-фазы и ее электронная структура остаются предметом горячих споров.
Хотя расчеты электронной структуры, выполненные Уилсом и Эриксоном на основе приближения локальной плотности (ПЛП), производят хорошее впечатление благодаря предсказанию влияния давления в актиноидах, они не могут предсказать существование высокотемпературных фаз. Тем не менее они предсказывают правильное значение атомного объема 6-фазы (вычисленного для О К) с учетом локализации четырех из пяти 5f электронов (переход в ионный
Pu
Галлий (ат. %)
