Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf

Уран имеет три аллотропические модификации: низкотемпе­ ратурную a-модификацию, ß- и у-модификации. Кристалло­ графическая структура урана во всех этих модификациях, а также температуры превращений представлены в табл. 7.1. Рас­ положение атомов в решетке а-урана показано на рис. 7.1. Кристаллическая решетка а-ураиа образована гофрированными слоями атомов, параллельными плоскости (010). Координаци-

Рис. 7.1. Кристаллическая решетка а-урана.

онное число для а-урана равно 12, однако 4 атома находятся на меньших расстояниях, чем остальные. Расстояние атомов в пределах слоев составляет 2,8539 и 2,7544 А, а между атомами, расположенными в разных слоях, 3,2631 и 3,342 А. Межатомные силы убывают с увеличением межатомного расстояния. В связи с этим силы связи между атомами в пределах слоя выше, чем между атомами соседних слоев.

Физические свойства урана также представлены в табл. 7.1. Следует отметить, что свойства урана существенно зависят от его чистоты. Особенностью а-урана в связи с низкой симмет­ рией орторомбической решетки является анизотропия физиче­ ских и механических свойств.

Механические характеристики. Чистейший монокристалл а-урана имеет очень высокую пластичность. Технический же

уран не слишком пластичен, тверд и хрупок. Уран относительно трудно обрабатывается. На его механические характеристики существенно влияет текстура, определяемая технологией изго­ товления изделия и термической обработкой. Незначительные колебания содержания неметаллических примесей могут влиять на его механические свойства. Уран сильно наклепывается, что затрудняет его обработку резанием. Механические свойства его, особенно пластичность, существенно зависят от температуры и термической обработки (табл. 7.2). В интервале температур от

50% и отжиг при 600° С

+ 100 до —196°, пластичность урана резко падает с уменьше­ нием температуры испытаний (рис. 7.2). Одновременно пони­ жается и предел прочности. Уран из пластичного становится хрупким. Температура перехода зависит от'содержания приме­ сей, размеров зерна и т. д. Пластичность урана при комнатной температуре может быть повышена отжигом его в вакууме. Наилучшие результаты дает отжиг в течение одних суток при 350—400°. С ростом температуры прочность урана снижается, а пластичность растет (рис. 7.3). В случае больших зерен плас­ тичность и предел прочности меньше.

Данные по скорости ползучести урана представлены на рис. 7.4. С увеличением температуры выше порога рекристалли-

зации (370—430°) скор9 сть ползучести урана резко возрастает. Закалка из области температуры ß- и у-фаз повышает сопротив­ ление ползучести при температуре ниже 400°, но уменьшает ее при более высокой температуре. Большая скорость деформации закаленного урана при температуре >400° вызвана разупроч-

Рис. 7.4. Зависимость скорости ползучести горячекатаного урана от напряжения.

пением границ зерен. В условиях циклического изменения тем­ пературы скорость ползучести возрастает. Это обстоятельство связано с внутренними напряжениями, возникающими из-за ани­ зотропии термического расширения а-урана при изменении тем­ пературы. Внутренние напряжения возрастают до предела теку­ чести и вызывают пластическую деформацию зерен. Предел выносливости урана при испытаниях на усталость зависит от чистоты металла, обработки и составляет при комнатной темпе­ ратуре 10—28 кТ/лш 2.

Термические циклы (периодическое изменение температуры) вызывают изменение размера изделий из урана. Наибольшая скорость роста (увеличения длины изделий) урана отмечена при максимальной разнице температур теплового цикла (причем наибольшее влияние оказывает верхнее значение температуры), низкой скорости нагрева и высокой скорости охлаждения. В процессе изменения температуры в тепловом цикле происхо­ дит некоторое распухание изделий из поликристаллического ура­ на (т. е. уменьшение плотности) и возникает шероховатость по­ верхности— «жеванность» — и даже происходит растрескивание. Рост урана при термических циклах связывается с тем, что в

вследствие этого в определенном направлении различные коэф­ фициенты термического расширения, при нагревании возникают внутренние напряжения. Эти напряжения при достижении опре­ деленной величины снимаются скольжением или двойникованием при пониженной температуре и течением по границе зерна при высокой температуре. В результате такого взаимодействия между зернами возникает пластическая деформация, накапли­ вающаяся с увеличением числа циклов.

Механизм роста урана при термических циклах с переходом через точки фазовых превращений иной. В этом случае рост урана связывается с различием плотности и прочности кри­ сталлических модификаций урана. В случае превращении а—ß и ß—у объем увеличивается примерно на 1%. При этом на гра­ нице двух фаз будут возникать внутренние напряжения, пре­ восходящие по величине предел текучести всех модификаций

явления обусловлены радиационным ростом урана. В мелкозер­ нистом поликристаллическом уране при малом выгорании по­ верхность изделий становится шероховатой. Имеет место так называемый, эффект «апельсиновой корки». В случае крупного зерна и больших выгораний неровности на поверхности увеличи­ ваются, появляются чередующиеся гребешки и впадины. Этот вид изменения поверхности называют «жеванностью». Одновре­ менно может происходить деформация изделий, например прут­ ков из урана.

При исследовании облученного монокристалла урана было установлено удлинение в направлении [010], сокращение длины по оси [100]. В направлении [001] монокристалл не изменяется. Это изменение размеров выражается коэффициентом радиаци­ онного роста Gi — безразмерной величиной, представляющей собой при малом изменении длины относительное удлинение, отнесенное к выгоранию:

г _ Изменение длины, %

Выгорание, %

В более общем случае коэффициент радиационного роста выра­ жается следующим образом:

G- = 1п М>)

*Amini ’

где I и Іо— конечная и исходная длина; А т — число атомов, испытавших деление из общего числа атомов т. Значения коэф­ фициента радиационного роста монокристалла урана в случае облучения его при темпера­ туре 100° для направлений [010], [100] и [001] состав­ ляют соответственно + 420± ±20; —420±20; 0±20.

Поведение поликристаллического урана под облу­ чением существенно зависит от величины зерна и совер­ шенства его структуры, от характера текстуры. С ро­ стом степени холодной де­ формации коэффициент ра­ диационного роста увеличи­ вается. С увеличением тем­ пературы прокатки в а-об- ласти коэффициент радиа­ ционного роста снижается. Закалка из ß-области в зна­ чительной степени прибли­

жает структуру к квазиизотропной. Так, для урана, прокатан­ ного при температуре 300° и облученного до выгорания 0,5%, коэффициент радиационного роста составляет 690, а для того же материала после закалки из ß-фазы равен 25.

Данные по изменению длины образцов урана после различ­ ной термической обработки в зависимости от выгорания пред­

ставлены на рис. 7.5.

Изменение формы урана при радиационном росте можно представить как переход атомов из плоскости (100) в плоскость (010). Такой перенос должен осуществляться либо путем миг­ рации отдельных атомов, либо за счет их кооперативного дви­ жения. Для объяснения явления радиационного роста урана были предложены различные теории.

Термомеханическая теория объясняет рост урана возникно­ вением тепловых пиков при делении и анизотропией пластиче­ ских свойств а-урана. В делящемся уране возникают локальные области диаметром 40—80 Â, где в течение І0-10—10-11 сек тем­ пература находится на уровне нескольких тысяч градусов. В об­