13.8. Смешанные карбиды урана и плутония.

Тройная система U – Pu – C является сложной и в значительной степени зависит от температуры. Один из изотермических разрезов при 635С представлен на рис.9.

Рис.9. Изотермический разрез при 635С системы U – Pu – C

C атомным содержанием углерода 0 – 60 %.

Для тройной системы существует непрерывный ряд твердых растворов между монокарбидами урана и плутония и между их полуторными карбидами. Температура плавления монокарбидов состава (U,Pu)C плавно снижается с 2400С для UC до 1654С для PuC. Температура плавления полуторных карбидов состава (U,Pu)₂C₃ также плавно снижается от 2400С для урана до 2050С для плутония.

Линия ликвидуса полуторных карбидов имеет перелом при 2240С и содержании Pu₂C₃ 45 % мол. На диаграмме состояния обнаружено существование «долины», подобной эвтектической. Это приводит к различию в составе первичных кристаллов в зависимости от содержания углерода. Сплавы, которые находятся на стороне монокарбидов (U,Pu)C этой эвтектической долины, затвердевают с выделением кристаллов монокарбидов, а сплавы, на стороне полуторных карбидов (>54 % ат. С) – c выделением первичных кристаллов полуторных карбидов (U,Pu)₂C₃.

Введение плутония в систему U – C расширяет область существования U₂C₃ до температуры выше 1760С. Установлено, что легирование полуторного карбида урана плутонием приводит к его стабилизации.

Вследствие большого интервала между ликвидусом и солидусом все сплавы обнаруживают сегрегацию плутония при быстром охлаждении. Ее можно ликвидировать отжигом при 1800С в течение 5 часов, однако при этом происходит улетучивание плутония., которое увеличивается с ростом его содержания в сплаве.

В соответствии с диаграммой на рис.9 в сплавах присутствует свободный плутоний в равновесии с фазой монокарбидов (U,Pu)C, а в интервале составов от 50 до 60 % ат. С имеется двухфазная область, состоящая из смеси твердых растворов монокарбидов и полуторных карбидов урана и плутония.

Необходимо отметить, что период решетки полуторных карбидов урана и плутония подчиняется правилу Вегарда и возрастает с ростом содержания плутония, рис. 10.

Рис.10. Зависимость периода решетки твердого раствора полуторных

Карбидов урана и плутония от содержания Pu2c3 в (u,Pu)2c3. - после литья; - после отжига при 1600с.

13.9. Получение (u,Pu)c и сердечников твэлов из него.

Для получения смешанных карбидов урана и плутония используют те же методы, что и для получения карбида урана. Процесс карбидизации может быть осуществлен в двух вариантах. В первом случае используют механическую смесь диоксидов урана и плутония в качестве исходного уран-плутониевого сырья и углерод, во втором случае – готовую смесь диоксидов урана и плутония, полученную соосаждением из карбонатных растворов, и углерод. Для повышения эффективности карбидизации исходную смесь оксидов необходимо тщательно перемешать. Для этого широко используют вибрационные шаровые мельницы.

Если используют механическую смесь диоксидов, то карбидизацию проводят при 1600С, а если соосажденную смесь – при 1300-1400С.

Смешанный карбид можно получить методом газовой карбидизации, если в качестве исходного уран-плутониевого сырья взять порошок сплава U – Pu, или его гидрид. Реакция с порошком сплава протекает при 730С. В результате синтеза получают порошок смешанного уран-плутониевого монокарбида, содержащего 4,85% масс. С.

Твердые растворы (U,Pu)C можно также получить спеканием механической смеси порошков UC и PuC в токе водорода или в вакууме.

Сердечники твэлов из смешанных карбидов урана и плутония получают по такой же технологии, что и из карбида урана. Смешанный карбид, полученный в виде спека после карбидизации, предварительно измельчают, вводят пластификатор, прессуют таблетки и спекают.

Большое влияние на качество спеченных таблеток оказывает кислород, который может находиться в оксидных пленках на поверхности частиц карбида после размола. Для устранения вредного влияния кислорода размол проводят в аргоне с содержанием кислорода не более 0,1%.

Если кислород присутствует в исходном карбиде в виде твердого раствора оксисоединений U и Pu, то при том же его содержании, что и в поверхностных пленках, спекание приводит к образованию более плотных таблеток.

Для получения плотных таблеток из смешанного карбида урана и плутония требуется более высокая температура спекания, 1900С. При 1800С спеченные таблетки из карбида урана и плутония дают заметное доспекание при повторном нагреве до 1900С, что существенно изменяет форму таблеток. Влияние температуры спекания на плотность спеченных таблеток иллюстрирует табл.4.

Таблица 4.