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

§ 7. 7

Плутоний и его сплавы

Физические свойства. Плутоний — девяносто четвертый эле­ мент периодической системы. Наибольшее значение имеет изо­ топ плутония с массовым числом 239. В природе плутоний прак­ тически не встречается. В урановых рудах обнаруживаются лишь следы плутония-239 в количество 5-10-12% содержания урана. Получают плутоний в процессе ядерных превращений, происхо­ дящих в ядерных реакторах. При облучении естественного уцана до выгорания 0,5% урана-235 образуется 0,28% плутония-239. Для извлечения плутония из облученного урана последний рас­ творяют в азотной кислоте. Уран и плутоний из раствора экстра­ гируют органическими растворителями. При этом основная мас­ са продуктов деления остается в водном растворе. Далее плу­ тоний отделяют от урана. Металлический плутоний получают металлотермическим восстановлением его соединений, например галоидных. В качестве восстановителя наиболее подходит каль­ ций, не образующий с плутонием сплавов.

В зависимости от длительности облучения урана в реакторе могут быть получены 11 изотопов плутония с массовыми чис­

пических модификаций. Температура фазовых превращений, типы кристаллической структуры и плотность различных кри­ сталлических модификаций плутония представлены в табл. 7.3. Следует отметить, что 6-модификация плутония с плотноупакованной решеткой имеет наименьшую плотность. В зависимости от кристаллографической модификации существенно меняется коэффициент термического расширения от 56-ІО-6 град- 1 для «-модификации до —57,9-ІО-6 град~1для ^-модификации. Отри­ цательный температурный коэффициент для б- и ц-фаз плуто­ ния, т. е. сокращение линейных размеров при нагревании, необы­ чен для металлов с простыми решетками и до сих пор не нашел удовлетворительного объяснения.

Переход одной кристаллической модификации плутония в другую сопровождается изменением объема и соответствующи­ ми тепловыми эффектами (табл. 7.4). Аллотропические превра­ щения плутония могут происходить как с увеличением, так и с уменьшением объема.

Аллотропические превращения, сопровождающиеся существ венным изменением свойств металла, приводят к изменению формы изделий из плутония при циклических нагревах и охлаж­ дениях.

Механические характеристики плутония. При комнатной тем­ пературе предел прочности плутония 35,6 кГ/мм2, предел текуче* сти 22,5 кГ/мм2, относительное удлинение 0,068%. При темпера­ туре 325° эти величины составляют соответственно 1,41 кГ/мм2; 1,15 кГ/мм2 и 50,1%. При комнатной температуре плутоний имеет высокую прочность и низкую пластичность, т. е. является

202 Г л . 7. Ядерно-горю чие материалы

.хрупким металлом. Вследствие низкой пластичности а-фазы объемные изменения, происходящие при охлаждении плутония,

ческих превращений, сопровождающихся существенным изме­ нением объема, малая пластичность а-плутония усложняют тех­ нологию изготовления изделий из него. Высокая реакционная способность плутония ограничивает число тугоплавких металлов, пригодных для изготовления литейной оснастки. Наиболее при­ годными для этой цели являются тантал, вольфрам, окислы или фториды кальция, окись магния, сульфид церия. Для предотвра­ щения окисления процесс плавки и разливки плутония необхо­ димо проводить в условиях высокого вакуума.

В области a-фазы из-за высокой хрупкости плутоний с тру­ дом поддается деформации. В области 6-фазы (310—450°) плу­ тоний пластичен и может быть подвергнут всем видам обработки давлением: прессованию, ковке, штамповке, вытяжке. При охла­ ждении из области температуры 6-фазы до комнатной происхо­ дит три фазовых превращения, в связи с чем остается возмож­ ность коробления и растрескивания готовых изделий при охлаж­ дении. Обработку плутония при высокой температуре, так же как плавку и литье, следует проводить в вакууме или в инерт­ ной атмосфере.

К о р р о з и о н н а я с т о й к о с т ь п л у т о н и я . Плутоний химически бо­ лее активен, чем уран, и обладает большим сродством к кисло­ роду, водороду, азоту. С углекислым газом плутоний реагирует при сравнительно низкой температуре, восстанавливая его до окиси углерода и при избытке плутония до графита. При ком­ натной температуре (и особенно при 200°) плутоний быстро реа­ гирует с водородом с образованием гидридов. С азотом плуто­ ний взаимодействует слабо, даже при температуре 800—1000°.

Совместимость плутония со щелочными металлами изучена слабо. Литий не образует с плутонием твердых растворов и ин­ терметаллических соединений. Плутоний восстанавливает окис­ лы калия и натрия, но не восстанавливает окись лития.

В виде порошка и стружки плутоний пирофорен и легко за­ горается на воздухе, образуя аэрозоли окиси. При выдержке на воздухе поверхность компактного плутония покрывается лег­ ко отстающей пленкой окисла..Во влажной атмосфере до темпе­ ратуры 50° пленка состоит из двуокиси плутония и имеет жел­

окисление идет по параболическому закону с образованием чер­

протекает коррозия плутония с образованием гидроокиси. Ско­ рость взаимодействия его с водой относительно низкая. В кипя­ щей воде этот процесс существенно ускоряется. Присутствие кислорода в воде снижает скорость коррозии. Последнее обстоя­ тельство свидетельствует о том, что плутоний принадлежит к пассивирующим металлам. Стойкость плутония близка к стойко­ сти урана. Во многих случаях, имея данные по коррозионной стойкости урана, можно качественно судить о стойкости плуто­ ния в аналогичных условиях. Продукты коррозии плутония ток­ сичны. В растворах серной кислоты плутоний растворяется пло­ хо, в растворах азотной кислоты-— незначительно, хотя его двуокись и гидроокись в этих концентрированных кислотах рас­ творяются хорошо. Легирование плутония элементами, стаби­ лизирующими б-фазу, приводит к существенному повышению коррозионной стойкости аналогично сплавам урана на основе у-фазы.

Сплавы плутония. Легирование плутония алюминием, цир­ конием, титаном, церием, таллием и торием с последующей за­ калкой сплава из области температуры, соответствующей б-фазе, позволяет фиксировать пластичную б-фазу при комнатной тем­ пературе. Например, структуру б-фазы имеют закаленные спла­ вы плутония с алюминием при содержании последнего 2— 13 ат.%. При быстром охлаждении в сплавах плутония с содер­ жанием менее 5% А1 из-за ликвации последнего присутствует нежелательная a -фаза. Отжиг в области температуры, соответ­ ствующей a -фазе, полностью восстанавливает гомогенность сплава. Железо, кобальт, никель значительно снижают темпе­ ратуру плавления плутония, образуя легкоплавкие эвтектики, пригодные для использования в качестве жидкометаллического горючего. В качестве ядерного горючего, в частности, для реак­ торов на быстрых нейтронах можно применять сплавы плуто­ ния с ураном. Дополнительное легирование этих сплавов мо­ либденом (14%) увеличивает стабильность их при температуре 500—600°. Структуру, стабильную до 550°, имеет сплав урана,

легированный 15% Pu и 20% Мо.

Радиационная стойкость. Металлический плутоний имеет низ­ кую радиационную стойкость. Так, облучение нелегированного плутония при 350—400° (область б-фазы) с 44 циклами охлажде­ ния до температуры у- и ß-фаз (150—200°) привело к разруше­ нию образца и показало полную непригодность этого металла для использования в чистом виде в качестве ядерного горючего. Легирование плутонием различных металлов обычно исполь­ зуют при необходимости равномерно распределить плутоний либо в воспроизводящем материале (уране или тории), либо в каком-либо конструкционном материале для получения стабиль-