Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
Number 26 2000 Los Alamos Science 293
Плутоний и его сплавы
Чистый Pu
200 400 600
Температура (°С)
Кристаллическая структура Pu Плотность (г/см3)
а Простая моноклинная 19,86
(3 Объемноцентрированная
моноклинная 17,70
У Г ранецентрированная
орторомбическая 17,14
5 Г ранецентрированная
кубическая 15,92
5' Объемноцентрированная
тетрагональная 16,00
є Объемноцентрированная
кубическая 16,51
L Жидкость 16,65
800
Рис. 1. Аномальное линейное термическое расширение плутония
Плутоний является уникальным элементом: при атмосферном давлении он имеет шесть различных кристаллических фаз (седьмая фаза появляется при повышении давления). Кроме того, в отличие от большинства металлов плутоний при плавлении сжимается. Превращения в различные кристаллические структуры проходят легко и сопровождаются очень большими изменениями объема. Для сравнения приведена кривая расширения алюминия. Его поведение предсказуемо и не отличается разнообразием. Алюминий монотонно расширяется при нагревании в твердой фазе и последующем плавлении. Штриховая линия показывает, что термическое сжатие при охлаждении жидкого плутония (L) экстраполируется на кривую, соответствующую (3-фазе, а термическое сжатие при охлаждении в-фазы экстраполируется на кривую, соответствующую у-фазе
Данная работа и статья “Механические свойства плутония и его сплавов” (с. 338) описывают удивительные загадки металлургии плутония в форме, доступной для обсуждения научной общественностью, в надежде заинтересовать молодых ученых и привлечь их к исследованию плутония. В работе, проводимой в Лос-Аламосе, мы пытаемся перейти от эмпирического подхода к подходу, основанному на фундаментальных законах. Пока же наши знания остаются достоянием практиков, а большинство из них ушли на пенсию или готовятся к этому. Для создания прочной основы понимания плутония нам нужны наиболее современные идеи и методы, которыми обладает международное научное сообщество. Тогда мы сможем применить теорию к решению практических задач, многие из которых, разумеется, должны держаться в тайне от широкой публики.
Необычные свойства плутония
Я опишу здесь насколько необычен плутоний, прежде чем рассказать, с чем это связано.
Первые участники Манхэттенского проекта уже в самом начале его выполнения были поражены необычным поведением плутония. Как только новый элемент был получен в количестве, достаточном для измерения плотности, они столкнулись с непонятными колебаниями значений плотности в интервале от 8 до 24 г/см3 (см. статью “Укрощение 49-го” на с. 48). Кроме того, некоторые крохотные образцы оказались пластичными, как алюминий, другие -хрупкими, как стекло. Перечень удивительных свойств составляет довольно длинный список (см. вставку “Необычные свойства плутония” на с. 296), но их систематическое изучение началось только после войны.
Наиболее неприятным свойством с точки зрения технологии является высокая термическая нестабильность плутония, в частности, большое изменение длины (или объема) при нагревании и охлаждении, как показано на рис. 1. Изменения объема (или фазовые превращения) сопровождаются значительными изменениями других свойств (см. табл. 1). Для практических целей пред-
почтительной является 6-фаза, устойчивая при высоких температурах, поскольку ее высокосимметричная гра-нецентрированная кубическая (гцк) структура делает плутоний в этой фазе пластичным, как алюминий, и позволяет придавать ему желаемую форму. И наоборот, существующая при комнатной температуре a-фаза является техническим кошмаром - простая низкосимметричная моноклинная структура делает плутоний очень хрупким, как минерал или стекло. (По традиции, заведенной металловедами, полиморфные фазы элементов и сплавов обозначаются буквами греческого алфавита, начиная с а для самой низкотемпературной фазы.)
Будучи весьма изобретательными, первые участники Манхэттенского проекта вскоре обнаружили, что превращения в три низкотемпературные фазы можно предотвратить, легируя плутоний такими элементами, как алюминий или галлий. Положительный эффект от введения галлия и, следовательно, со-
хранения плутония в 6-фазе легко проследить на рис. 2.
Все легирующие элементы являются “примесями” в цепной ядерной реакции, поскольку снижают количество атомов плутония-239 в единице объема, но с точки зрения металловедения для использования плутония в военных целях предпочтение отдается 6-фазным сплавам. При этом количество легирующих элементов должно быть минимальным, поскольку наибольший интерес представляют сплавы с высоким содержанием плутония. Так как требования, предъявляемые к контролируемой цепной реакции в ядерном реакторе, сильно отличаются, реакторные сплавы и соединения, используемые в ядерных реакторах, охватывают значительно более широкий интервал концентраций плутония.
Проблемы металлургии плутония в течение многих лет исследовали металлурги и специалисты по физике конденсированного вещества - к сожалению,
294
Los Alamos Science Number 26 2000
Плутоний и его сплавы
