Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_7 том
.pdf
31
ского (фазового) анализа. Типичные изображения включений в за-
грязненном и высокочастотном уране показаны на рис. 30.1.
Рис. 30.1. Типичные включения в уране (светлое поле), ×100: отожженном
с повышенным количеством загрязнений (а) и в высокочистом уране (б)
Неметаллические примеси в уране присутствуют в виде вклю-
чений оксидов, нитридов и карбидов, а также оксикарбонитридов и
карбонитридов урана. Другими видами включений являются фто-
риды, гидриды, силициды и интерметаллические соединения. Фор-
ма и расположение включений зависят от их природы, скорости
кристаллизации отливок, термической и термомеханической обра-
боток. Некоторые типичные микрофотографии включений различ-
ных видов представлены на рис. 30.2.
Особенности микроструктуры урана чаще всего выявляют в по-
ляризованном свете, что обусловлено его сильной анизотропией.
Микроструктурные исследования литого урана в поляризованном
свете показали, что он состоит из крупных зерен размером
1500÷2000 мкм, которые в свою очередь содержат слаборазориен-
тированные субзерна размером 200÷300 мкм. В структуре урана
также наблюдается большое количество двойников, форма и коли-
чество которых зависят от скорости охлаждения металла. Термиче-
ская и термомеханическая обработки, а также облучение суще-
ственным образом изменяют структуру урана. Некоторые типич-
32
ные виды микроструктуры урана в различном состоянии показаны
на рис. 30.3.
Рис. 30.2. Включения в уране:
а – мононитрид урана, дендритная форма (×200); б – промежуточная фаза
U(С,N) – светлые включения; более темные включения – диоксид урана (×200);
в
– монокарбид урана (×500); г – гидрид урана (×200); д – монооксид урана (точ-
нее, фаза U(С,N,О) с высоким содержанием кислорода); характерно частичное
слияние с матрицей, обрамляющая фаза UC; е
– интерметаллическое соединение
U
6
Fe (×200)
33
Рис. 30.3. Типичные микроструктуры урана:
а – четыре типа двойников (×750); б
– искривленные двойники (×200); в – рекри-
сталлизация литого урана, отжиг и течение 250 ч при 650 °С (×100); г
– рекри-
сталлизация литого урана после циклической термической обработки в α-фазе
(900 циклов в интервале 100 – 550 °C) (×200); д
– рекристаллизация в процессе
деформации при верхней температуре α-фазы (×100); е
– деформация на 35 % при
низких температурах α-фазы, отжиг при 650 °С в течение 1 ч, полная рекристал-
лизация (×175)
34
30.1.2. Физические свойства урана
Природная смесь изотопов урана содержит три нуклида
238
U
(99,2745 %),
235
U (0,7200 %) и
234
U (0,0055 %). Среднее содержание
235
U в различных урановых рудах составляет 0,711 %. Искусствен-
ным путем получено одиннадцать нуклидов урана с массовыми
числами от 227 до 240.
Ядерно-физические свойства природного урана и некоторых его
нуклидов при взаимодействии с тепловыми и быстрыми нейтрона-
ми приведены в табл. 30.1.
Таблица 30.1
Ядерно-физические свойства урана
Нуклид
Период
полу-
распада,
лет
Сечения реакций, 10
−28
м
2
(барн)
Тепловые нейтроны
с Е = 0,025 эВ
Быстрые нейтроны
с Е = 1,8 МэВ
деле-
ния
захва-
та
поглоще-
ния
деле-
ния
захва-
та
поглоще-
ния
233
U 1,62·10
5
531,1 47,7 578,8 1,902 0,0951 1,9971
235
U
7,13·10
8
582,2 98,6 680,8 1,274 0,0764 1,3504
238
U 4,51·10
9
0 2,71 2,71 0,535 0,0428 0,5778
Природ-
ный U
– 4,18 3,51 7,69 0,535 0,0428 0,5778
Из табл. 30.1 видно, что
238
U не способен к делению под дей-
ствием тепловых нейтронов. С увеличением их энергии сечения
деления и захвата нейтронов нуклидами урана существенно
уменьшаются. При высоких энергиях нейтронов, превышающих
0,6 МэВ,
238
U способен делиться, что дает положительный вклад в
баланс нейтронов в активной зоне реактора на быстрых нейтронах.
Особую роль среди нуклидов урана играет искусственный неде-
лящийся нуклид
236
U. Он образуется в результате радиационного
захвата нейтронов нуклидом
235
U. Количество ядер
235
U, превра-
щающихся в реакторе на тепловых нейтронах в
236
U, составляет
~ 1,5 %. Часть образовавшегося
236
U за счет захвата нейтронов пре-
вращается в ценные нуклиды
237
Np и
238
Рu. В процессе выгорания
топлива в некоторый момент времени достигается равновесная
концентрация
236
U вследствие того, что количество образующегося
236
U становится равным его убыли.
35
Накопление
236
U в ядерном топливе приводит к снижению глу-
бины выгорания и уменьшению эффективности обогащения реге-
нерированного урана, что в целом увеличивает стоимость топлив-
ного цикла на обогащенном уране.
Электронная структура. Уран по числу и строению электрон-
ных оболочек его атомов относится к группе актиноидных элемен-
тов, аналогов группы лантаноидов. В атоме урана полностью за-
полнены K-, L-, М- и N-оболочки. Целиком заполнены подуровни
5s, 5p, 5d, 6s и 6р. Валентные электроны атомов урана имеют кон-
фигурацию 7s
2
6d
1
5f
3
. Первыми возбужденными состояниями ато-
ма являются (в порядке роста энергии): f
3
d
2
s; f
4
d
2
s
2
; f
3
s
2
p; f
3
dsp;
f
4
ds; f
4
sp и так далее.
Аллотропические превращения. Температура плавления вы-
сокочистого урана составляет 1130 °С. Ниже этой температуры
уран существует в трех аллотропических модификациях: α, β и γ.
Температура фазовых превращений составляет для α ↔ β-пре-
вращения 667 °С и для β ↔ γ-превращения 775 °С. Для урана с раз-
личным содержанием примесей они могут иметь несколько отлич-
ные значения. Аллотропические превращения сопровождаются
значительными объемными изменениями, которые составляют при
α ↔ β-превращении −1,05 %, при β ↔ γ-превращении −0,7 % и при
переходе из твердого в жидкое состояние +7,6 %.
Кристаллическая структура модификаций урана. Данные о
кристаллической структуре урана приведены в табл. 30.2.
Таблица 30.2
Кристаллическая структура урана
Фаза
Температурная область
существования, °С
Элементарная ячейка
Тип решетки Параметры, нм
Число атомов
в элементар-
ной ячейке
α
Ниже 667 Орторомбическая
а
0
= 0,28539
b
0
= 0,58691
с
0
= 0,49554
4
β
667 – 775
Тетрагональная
а
0
= 1,0759
с
0
= 0,5656
при 720 °С
30
γ
775 – 1130
ОЦК
a
0
= 0,3538
при 850 °С
2
36
Орторомбическая
структура α-урана
может быть пред-
ставлена в виде гоф-
рированных слоев
атомов, параллель-
ных плоскости (010)
(рис. 30.4,а). Связь
между атомами в
гофрированных сло-
ях является кова-
лентной, что обу-
словлено гибридиза-
цией четырех элек-
тронов 5f- и 6d-
подуровней и одного
электрона на 7s-
уровне.
Между слоями
связь имеет металли-
ческий характер и
является более сла-
бой. Вследствие та-
кой структуры α-
уран обладает боль-
шой анизотропно-
стью. Сложная тетра-
гональная решетка β-
фазы является слои-
стой (рис. 30.4,б).
Она состоит из гладких слоев, перпендикулярных направлению
[001]. Слои двух типов В и С с плотной упаковкой атомов, подоб-
ной гексагональной, связаны между собой волнистыми слоями А с
малой плотностью упаковки.
β-Фаза урана обладает анизотропией свойств, которая, однако,
не является такой сильной, как в α-уране. Кристаллическая струк-
тура γ-урана, имеющего ОЦК решетку, типична для металлов и об-
ладает высокой изотропностью.
Рис. 30.4. Схемы кристаллической
решетки α-фазы (а) и β-фазы (б) урана
37
Плотность. Фазы урана имеют различную плотность. Ее значе-
ния при разных температурах, вычисленные по рентгенографиче-
ским данным, приведены в табл. 30.3.
Из данных табл. 30.3 видно, что с повышением температуры
плотность модификаций урана уменьшается. При температурах
фазовых переходов она изменяется скачкообразно. Эксперимен-
тальные значения плотности зависят от технологии изготовления и
могут заметно отличаться от теоретических. Плотность жидкого
урана при температуре плавления составляет 16,63 г/см
3
.
Таблица 30.3
Температурная зависимость плотности урана
Температура, °С Плотность, г/см
3
Температура, °С Плотность, г/см
3
α-Фаза
β
-Фаза
25 19,070 667 18,176
100 19,012 700 18,132
200 18,921 775 18,073
300 18,820 γ-Фаза
400 18,704 775 17,941
500 18,586 800 17,910
667 18,369 1100 17,563
Удельная теплоемкость. В области низких температур удель-
ная теплоемкость урана быстро растет при нагреве до 200 К, а за-
тем медленно увеличивается до температуры α → β-перехода. При
аллотропических превращениях теплоемкость скачкообразно пада-
ет (рис. 30.5).
Рис. 30.5. Температурная
зависимость атомной теп-
лоемкости урана (по дан-
ным различных исследо-
ваний)
38
Теплопроводность. Коэффициент теплопроводности урана не-
велик, и при комнатной температуре он составляет ~ 27 Вт/(м · К),
что ниже, чем у железа. С ростом температуры коэффициент теп-
лопроводности урана повышается (рис. 30.6) и при 600 °С он дохо-
дит до ~ 40 Вт/(м · К). На температурной кривой теплопроводности
можно отметить два перегиба. Один из них при −213 °С обуслов-
лен, по-видимому, переходом от электронной теплопроводности к
решеточной, а другой –
при 227 °С – сильным
ослаблением ковалент-
ных связей урана.
Рис. 30.6. Зависимость теп-
лопроводности урана от тем-
пературы
Имеются данные, что в направлении деформации тепло-
проводность урана выше, чем в перпендикулярном направлении,
т.е. она имеет анизотропный характер. Вместе с тем при темпера-
туре фазового перехода α ↔ β скачкообразное изменение тепло-
проводности отсутствует. Установлено, что величина коэффициен-
та теплопроводности урана мало зависит от содержания таких
примесей, как железо, алюминий и углерод.
Термическое расширение. Монокристаллический α-уран,
имеющий орторомбичекую решетку, характеризуется сильной ани-
зотропией термического расширения по осям [100], [010] и [001],
обозначаемым соответственно а
0
, b
0
и с
0
. Из рис. 30.7, где пред-
ставлена температурная зависимость параметров решетки, видно,
что при нагревании решетка α-урана расширяется по осям а
0
и с
0
,
мало изменяясь и даже сжимаясь при высоких температурах по оси
b
0
. Значения коэффициентов термического расширения по трем
кристаллографическим направлениям, а также величины объемно-
го и линейного коэффициентов термического расширения α-урана
представлены в табл. 30.4.
39
В интервале температур
43
–20 К происходит ано-
мальное изменение парамет-
ров решетки α-урана: по осям
a
0
и b
0
они резко увеличива-
ются, а по оси с
0
– уменьша-
ются. Объемный коэффици-
ент термического расшире-
ния α
V
становится отрица-
тельным. Это изменение α
V
сопровождается аномальным
изменением других физиче-
ских свойств.
В случае поликристалли-
ческого α-урана значения
линейного коэффициента
термического расширения α
l
,
сильно зависят от предше-
ствующей обработки образцов. Отклонение α
l
от величины, при-
сущей изотропному образцу, может характеризовать наличие в нем
текстуры.
Таблица 30.4
Термическое расширение урана
Температурный
интервал, °С
Коэффициент термического расширения, · 10
−6
, К
−1
по кристаллографическим осям
объемный
α
V
линейный
α
l
0
α
a
[100]
0
α
b
[010]
0
α
c
[001]
20 – 100
20 – 300
20 – 500
20 – 600
23,9 ± 1,0
29,8 ± 1,0
39,2 ± 1,0
43,0 ± 1,0
−5,4
−0,4
−6,3
−16,2
19,5
23,5
27,6
33,6
48,8
51,7
54,2
63,6
16,3
17,2
18,1
21,2
Введение в α-уран легирующих добавок Аl, Мо, V и Сr несколь-
ко снижает коэффициент термического расширения. Монокристал-
лический β-уран также обладает анизотропией коэффициента ли-
нейного расширения по кристаллографическим осям:
α
a
= α
b
= (23,4 ± 1,5) · 10
−6
К
−1
и α
с
= (6 ± 2) · 10
−6
К
−1
.
Рис. 30.7. Зависимость параметров
решетки α-урана от температуры
40
Изотропный γ-уран с ОЦК решеткой имеет коэффициент линей-
ного расширения (22,5 ± 1,3) · 10
−6
К
−1
.
Сильная анизотропия коэффициента линейного расширения мо-
нокристаллов β- и, особенно, α-урана приводит к тому, что в поли-
кристаллическом уране, имеющем квазиизотропную структуру,
при нагреве или охлаждении мoгут возникать значительные внут-
ренние напряжения, превышающие предел текучести. Они являют-
ся причиной сдвигов и двойникования в зернах урана.
Электрические свойства урана. Уран имеет весьма высокое
электрическое сопротивление, которое на порядок и более выше,
чем у меди и алюминия. Низкая симметрия кристаллической
структуры α-урана обусловливает анизотропию его удельного
электросопротивления. Так, при комнатной температуре электро-
сопротивление монокристалла урана по осям [100], [010] и [001]
составляет соответственно 40,2; 28,2 и 40,2 мкОм · см.
Электросопротивление поликристаллического урана плавно
растет с температурой, резко снижаясь при фазовых переходах. В
области низких температур на температурной кривой электросо-
противления наблюдается излом, соответствующий аномалии ко-
эффициента термического расширения. Примеси увеличивают
электросопротивление урана.
Самодиффузия. Коэффициент самодиффузии урана имеет ми-
нимальные значения в α-области. В β-области он несколько выше,
а в γ-области коэффициент самодиффузии приблизительно в
150 раз больше значений, полученных в β-области. Энергия акти-
вации самодиффузии в α-, β- и γ-областях составляет соответ-
ственно 168, 176 и 113 кДж/моль. В областях существования β- и
α-фаз существует анизотропия самодиффузии. В α-уране мини-
мальное значение коэффициента самодиффузии получено для
направления [010].
В области α-фазы урана самодиффузия проходит главным обра-
зом по границам зерен и субзерен; объемная самодиффузия проте-
кает со значительно меньшей скоростью (на 4–5 порядков). Энер-
гии активации объемной и граничной самодиффузии приблизи-
тельно одинаковы и близки к энергии активации миграции вакан-
сий. Наиболее достоверное значение энергии активации самодиф-
фузии α-урана составляет ~170 кДж/моль.
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)