книги из ГПНТБ / Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие

§ 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-

ного при облучении сплава. Уран-плутониевые сплавы радиадионно нестойки вследствие радиационного роста и газового распухания. Термическая обработка позволяет избежать радиа­ ционного роста, но создаваемое приэтом крупное зерно приво­ дит к появлению излишне шероховатой поверхности металла после облучения. Радиационная стойкость уран-плутониевых сплавов (до 10—15% Pu) повышается при дополнительном леги­ ровании их молибденом в количестве 28 ат. %. Радиационная стойкость сплавов систем Th—Pu выше, чем у сплавов U—Pu.

Удовлетворительную радиационную стойкость показали спла­ вы алюминия с 0,5—20% Pu. Эти сплавы имеют хорошие литей­ ные качества и поддаются механической обработке. Структура сплавов с большим содержанием плутония двухфазная и пред­ ставляет собой отдельные зерна хрупкого интерметаллида РиАЦ, диспергированного в пластичной алюминиевой матрице. Проб­ лема радиационной стойкости снимается в случае применения жидкометаллического горючего на основе плутония. Однако в этом случае появляется проблема выбора конструкционных ма­ териалов, совместимых с ядерным горючим. Наименьшую ско­ рость растворения в жидком уране по сравнению с другими ту­ гоплавкими металлами имеют вольфрам и тантал. Возможно, они будут совместимы с плутонием и его сплавами при высокой температуре, и длительной экспозиции.

Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а . Торий — радиоактивный химический элемент семейства актиноидов с порядковым номером 90. В про­ тивоположность урану и плутонию торий сам по себе не является делящимся (расщепляющимся) материалом. При облучении природного тория тепловыми нейтронами образуется уран-233, который можно извлечь и использовать как расщепляющийся

материал.

Торий мягкий серебристый металл. Низкотемпературная a -модификация тория с гранецентрированной кубической решет­ кой при температуре 1400° переходит в ß-модификацию с объем­ ноцентрированной кубической решеткой. Температура плавления тория 1695°; плотность 11,71 г/см3\ коэффициент теплового рас­

большие загрязнения существенно сказываются на механических Свойствах тория. В зависимости от способа получения варьиру­ ются и предел прочности 14—22 кГ/мм2, предел текучести 8— 13 кГ/мм2, относительное удлинение 20—50%. Примеси боль­ шинства элементов, особенно углерода, заметно упрочняют то­ рий, а примеси кислорода и азота почти не влияют на механиче­ ские характеристики тория. Прочность тория быстро падает с ростом температуры.

Коррозионная стойкость. Торий более коррозионностоек, чем уран и плутоний. Поверхность его на свежем срезе остается неокисленной длительное время. С увеличением температуры скорость окисления тория на воздухе возрастает. При темпера­ туре до 850° окисление идет по линейному закону с образова­ нием двуокиси тория. В дистиллированной воде торий стоек до 100°. На поверхности металла образуется защитная пленка. С дальнейшим повышением температуры скорость коррозии то­ рия в воде резко возрастает. Легирование титаном, цирконием, бериллием повышает стойкость тория.

Радиационная стойкость. В жидкометаллических теплоноси­ телях торий стоек. Загрязнение ■жидких металлов кислородом снижает его стойкость. Металлический торий не претерпевает аллотропических превращений до температуры 1400°, имеет изотропную гранецентрированную кубическую решетку. В связи с этим не следует ожидать размерной нестабильности и анизо­ тропных свойств при облучении, характерных для урана. Так, после облучения интегральным потоком ІО21 нейтрон/см2 диа­ метр, ториевых блоков увеличился на 0,02%. Сплавы тория с ура­ ном радиационностойки, хорошо сопротивляются газовому рас­

Соединения урана, плутония, тория с неметаллами (кисло­ родом, углеродом, аз.отом и др.), имеющие высокую температуру плавления, значительную плотность горючего материала, низкое сечение захвата, стойкость в условиях облучения, обычно объ­ единяют в одну группу — керамическое ядерное горючее. Кера­ мическое ядерное горючее находит все более широкое примене­ ние, особенно для высокотемпературных реакторов. Применяе­ мые материалы можно разбить на три основные группы. Первая группа включает керамику на основе окислов урана, тория, плу­ тония или их смеси. Применяют также смеси окислов делящихся и неделящихся материалов. Ко второй группе относятся неокис-

208 Г л . 7. Ядерно-горю чие материалы

метного распухания и нарушения геометрических размеров твэлов. Так, при выгорании до 15,5 ат.% увеличение объема не превышало 8%. Верхняя граница распухания при выгорании до 9 ат.% составляет 0,33% на 1 ат.% выгорания и не зависит от температуры в интервале 760—1980°. При выгорании более 9 ат.% распухание интенсифицируется и изменение объема со­ ставляет в среднем 0,7%. на 1 ат.% выгорания. Снижение плот­ ности двуокиси урана до 81% теоретической уменьшает рас­ пухание. Однако приведенные величины распухания невелики, они существенно меньше, чем в случае металлических сплавов; урана, и легко могут быть учтены при конструировании твэлов. Если при облучении температура в центре превышает температуру плавления двуокиси урана, объемное расширение сущест­ венно возрастает. При расплавлении более 70% поперечного се­ чения стержня двуокиси урана распухание достигает 5—7% на 1% выгорания. Распухание двуокиси урана связывают с обра­ зованием газообразных продуктов деления. Часть газообразных продуктов деления удерживается в двуокиси, а часть выделяется

в зазоры между сердечником и оболочкой или в специально пре­ дусмотренные для сбора газов объемы внутри твэлов. Газовыделение в зазоры повышает внутреннее давление и создает опас­ ность разрушения оболочки. Кроме того, изменяется состав газа в зазорах. Часто при изготовлении зазоры заполняют ге­ лием, имеющим лучший коэффициент теплопроводности по срав-

Рис. л10. Характер растрескивания таблеток двуокиси урана.

пению с воздухом и аргоном. При газовыделении в зазоры ухуд­ шается теплопередача между топливом и оболочкой и повы­ шается температура горючего.

.При облучении снижается и без того малая теплопроводность двуокиси урана. Низкая теплопроводность и обусловленные ею высокие термические напряжения вследствие большого градиен­ та температуры могут вызвать растрескивание двуокиси урана. Растрескивание, как правило, происходит в радиальном направ­ лении (рис. 7.10) и может сопровождаться разрушением табле­ ток двуокиси урана. Облучение часто сопровождается измене­ нием структуры двуокиси, образованием столбчатых кристаллов, охватывающих до 70% всей поперечной площади сечения табле­