Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
К сожалению, расчеты структуры электронных зон не позволяют моделировать влияние легирования в таких сложных системах. Очевидно, что при внедрении в решетку плутония атомов с различной электронной структурой и
разных размеров возникают напряжения и изменяется электронная структура. Хотелось бы объяснить, как и почему некоторые элементы расширяют область стабильности гцк 6-фазы до комнатной температуры при затвердевании и охлаждении плутония из расплавленного состояния. Однако ключевые экспериментальные данные (такие, как кривые дисперсии фононов), которые могли бы помочь теоретикам, довольно скудны. He существует реалистических межатомных потенциалов, позволяющих проводить приближенные расчеты влияния температуры и легирования. Важно понять вклад энтропии, поскольку при
318
Los Alamos Science Number 26 2000
Плутоний и его сплавы
(Г)
2000
1600
О
^ 1200 CO
800
8
Ni
6\
400
L + PusSis
? + Pu5Si3
5 + PusSis
у+ Pu5Si3
+ Pu5Si3
a + Fju5Si3
(Д)
1600
1200
800
400
0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100
Кремний (ат. %) Железо (ат. %)
Железо, никель и кобальт резко понижают температуру плавления плутония, образуя легкоплавкую эвтектику так же, как при добавке свинца к олову получается припой, (д) Температура эвтектики в сплавах плутония с железом составляет 410 0C, содержание железа в эвтектической точке около 10 ат. %. (Сплав такого состава использовался в первых топливных элементах из металлического плутония в реакторе с расплавленным плутонием в Лос-Аламосе в конце 40-х годов.) Кремний, магний, осмий, рутений, родий и торий образуют эвтектические сплавы при более высоких температурах. Элементы, образующие эвтектику, ограничивают температурный интервал использования плутония и его сплавов. Например, плутоний, нагретый в стальном контейнере до температуры выше 410 °С, будет взаимодействовать с железом, образуя эвтектику. Даже при небольшом содержании легирующие элементы в плутонии могут сегрегировать по границам зерен, приводя к локальному обогащению и вызывая локальное оплавление и охрупчивание при температурах, близких к эвтектическим.
Известно, что при сплавлении металлов с неметаллическими элементами, имеющими очень небольшие атомные радиусы, образуются твердые растворы внедрения. Как правило, если радиус неметаллического элемента меньше 0,59 радиуса элемента А, образуется интерметаллическое соединение с простой структурой (чаще - гцк или гпу). Если отношение превышает указанное, образуются соединения со сложной структурой. Для плутония важными примесями являются кислород, углерод, азот и водород. Первые три элемента образуют несколько интерметаллических соединений с высокой температурой плавления (тугоплавких). Например, PuO2 является тугоплавким оксидом, поскольку плавится при температуре 2400 °С. Он используется в изотопных тепловых источниках, а также в качестве реакторного топлива в смеси с UO2- Аналогично, карбиды и нитриды плутония ранее представляли интерес в качестве реакторного топлива для бридеров. Водород также имеет тенденцию к образованию соединений, однако они очень легко распадаются.
Почти все остальные элементы в периодической системе имеют ограниченную растворимость в 5-фазе. Многие из них (например, барий, стронций и кальций) не смешиваются. Большинство из этих элементов повышают температуру плавления. Некоторые образуют вырожденную эвтектику перед повышением температуры плавления. Более половины элементов этой группы имеют растворимость в 8-фазе (например, торий, нептуний, уран, титан, рутений, родий, платина, осмий и большинство редкоземельных элементов)
образовании сплава на энтропию могут влиять изменение конфигурации и колебания решетки. Ранее мы отмечали, что полуэмпирические теории сплавов оказались не очень удачными для прогнозирования эффектов легирования в плутонии. Купер (с. 156) предполагает, что атомы галлия, произвольно расположенные в решетке плутония, обеспечивают достаточно сильное рассеяние, чтобы понизить температуру самонаведенной локализации Андерсона ниже комнатной, объясняя тем самым сохранение 6-фазы. Однако для проведения расчетов, позволяющих получать количественную информацию, предстоит пройти еще долгий путь.
К счастью, задолго до появления теории электронной структуры металлурги и химики научились экспериментально строить диаграммы фазового равновесия. Диаграммы состояния, подобные показанным на рис. 17 и 18, были тщательно построены с использованием термического анализа, дилатометрии (измерение изменения длины), калориметрии, рентгеновской дифракции и металлографии (оптическая микроскопия структуры зерен и фаз). Что касается актиноидов, то Финли Эллин-джер и его коллеги из JIoc-Аламо-са посвятили свою профессиональную жизнь построению двойных диаграмм
состояния плутония с множеством других элементов периодической таблицы. Они опубликовали также несколько тройных диаграмм (диаграмм плутония с двумя элементами), однако количество таких диаграмм невелико из-за огромной трудоемкости исследования. Мы должны развивать более совершенные теории, которые помогут нам понять поведение легирующих добавок и примесей.
