коля / u_course

10.2. Уран и его сплавы

Уран – серебристо-белый блестящий металл, по внешнему виду похожий на сталь. Он был открыт в 1789 г. немецким химиком Клапротом и назван в честь планеты Уран.

Структура и свойства урана

Природный уран состоит из ряда изотопов с массовыми числами: 234 (0,0056 %), 235 (0,718 %) и 236 (99,276 %). Изотопы уран-234 и уран235 являются единственными встречающимися в природе делящимися изотопами, что предопределило широкое применение природного урана как основного ядерного горючего. При делении изотопа уран-234 выделяется огромное количество энергии. Сравнение этих количеств энергии с теплотворной способностью угля (5000 кал/г) показывает, что при полном сгорании 1 г урана выделяется тепло в количестве, эквивалентном сжиганию 4 т угля.

Наиболее распространенный изотоп уран-236 превращается при облучении нейтронами в делящийся плутоний (Рu239). Основные свойства урана приведены в табл.10.2.

В земной коре содержится 4·10-4 % урана. Механические свойства литого урана: σв = 457 МПа; δ = 5 %.

Уран в компактном металлическом виде получают путем восстановления тетрафторида урана UF4 магнием или кальцием в герметических сосудах (бомбах). В результате восстановления тяжелый металлический уран оседает и отделяется, образуя компактный металл (черновой слиток) относительно высокой степени чистоты (слиток содержит 0,01 % N; 0,015–0,075 % С; 0,015 % Fe; 0,0065 % Si; 0,0025 % Мn; 0,01 % Ni; 0,0025 % Mg; 0,0065 % Сr и 0,0001 % Ag).

299

Описанным выше способом можно получить достаточно большие черновые слитки, не требующие переплавки перед дальнейшей обработкой. Однако в ряде случаев (например, для получения сплавов) производится повторная переплавка чернового металла на слитки для обработки давлением.

Плавку в основном проводят в индукционных печах с применением тиглей из окиси тория или окиси бериллия. Горячую ковку слитков проводят при температуре 600 оС. Для получения листовых материалов применяют горячую прокатку при температуре 600 оС и последующую тепловую прокатку при 300 оС. Заготовки перед горячей прокаткой нагревают в соляных ваннах (смесь карбонатов калия и лития), перед тепловой прокаткой – в масляных ваннах. Прессование (выдавливание) урана проводят при температуре 800–850 оС с применением технологического защитного медного покрытия, которое после обработки удаляют травлением. Это покрытие одновременно служит смазкой и предохраняет от налипания урана на матрице.

Уран значительно разупрочняется с повышением температуры. Резкое различие в свойствах урана при 666 и 776 оС зависит от его модификации, в которой он находится при температуре испытания.

Чистый уран используют в виде стержней в ядерных реакторах. В качестве конструкционногой материала чистый уран не применяют. Для целей ядерной техники применяют ряд сплавов урана.

Сплавы урана

Ниобий совместим с ураном и хорошо противостоит воздействию облучения. Под действием медленных и быстрых нейтронов он со временем заметно упрочняется, сохраняя при этом удовлетворительную пластичность. Так, например, до облучения ниобий имел следующие механические свойства: σв = 480 МПа; δ = 21 %; ψ = 27 %, после облучения σв = 563 МПа; δ = 8 %; ψ = 48 %. Хорошей совместимостью с ураном и низким поглощением тепловых нейтронов обладает также и цирконий.

Благодаря этим свойствам, ниобий и цирконий в сплавах с ураном применяют для оболочек и топливных стержней в ядерной энергетике. Ниобий используют также в качестве присадки к урану для повышения его коррозионной стойкости в перегретом паре, В ядерной технике получили применение сплавы урана с 10–20 % Nb. Согласно диаграмме состояния U–Nb (рис. 10.2), при температурах выше 975 оС в системе образуется непрерывный ряд твердых растворов. Ниже этой температуры происходит распад γ-твердого раствора на два твердых раствора.

300

Основа сплава – α-твердый раствор на основе урана, легированный ниобием – обладает более высокой коррозионной стойкостью, чем чистый уран, что приводит к общему повышению стойкости урана в рабочих условиях ядерного реактора.

Значительный интерес представляют также сплавы урана с цирконием. Добавки циркония в уране так же, как ниобий, повышают прочность урановых стержней и их коррозионную стойкость. Практическое применение получили сплавы с содержанием до 10–15 % Zr. Согласно диаграмме состояния U–Zr (рис. 10.3), эти сплавы так же, как и сплавы с ниобием, принадлежат двухфазной области. Структура их состоит из смеси твердых растворов на основе урана и циркония.

Легирование урана цирконием приводит к его упрочнению и повышению коррозионной стойкости. В качестве топливных пластин и стержней используют также тройные сплавы урана с ниобием и цирконием.

10.3. Плутоний и его сплавы

Плутоний является первым искусственным элементом, полученным человеком, он был открыт в 1940–1941 гг. американскими учеными Сиборгом, Макмилланом, Кеннеди и Валем, получившими изотоп 238Pu в результате облучения урана ядрами тяжелого изотопа водорода – дейтронами. Назван в честь планеты Плутон.

Структура и свойства плутония

Плутоний обладает комплексом уникальных физических и ядерных свойств (высокое электрическое сопротивление, необычно высокий коэффициент линейного расширения и др.), которых не имеют другие металлы.

Температура плавления плутония составляет (639,5 ±2) оС. Температура кипения: (3235 ±19) оС.

Характерной особенностью плутония, как и других радиоактивных металлов, является наличие большого числа полиморфных превращений, происходящих с повышением температуры. Кристаллические структуры различных модификаций, температурых полиморфных превращений и плотность плутония приведены в табл. 10.3, из которой видно, что с повышением температуры происходит перестройка структуры металла из более сложных форм с большим числом атомов в элементарной ячейке (до 30

302

и более) в более простые кристаллические решетки с 2–4 атомами в элементарной ячейке.

Таблица 10.3

Кристаллическая структура различных модификаций, температуры полиморфных превращений и плотность плутония

Наличием большого количества полиморфных превращений у плутония объясняется сложный характер фазового равновесия в сплавах с различными металлами.

Металлический компактный плутоний получают восстановлением тетрафторида (PuF4) кальцием в герметизированном реакторе (бомбе), нагреваемом в индукционных или тигельных электропечах. Реакция восстановления достаточно интенсивно проходит при температуре 600 °С. Полученный плутоний имеет чистоту 99,87 % (мас.). Обычно металл содержит следующие примеси: 0,05 % Fe, 0,04 % С, 0,02 % Cr, 0,02 % Ni, 0,01 % Sb и 0,01 % Si.

Механические свойства литого плутония: σв = 310–380 МПа; δ = 0,5–1,0 %. Микротвердость α-Pu составляет 2950 МПа; β-Pu – 1000 МПа;

γ-Pu – 1100 МПа.

Путем переплавки плутония в вакуумных печах можно получать слитки чистого металла или его сплавов. Микроструктура литого плутония имеет полиэдрическое строение, свойственное чистым металлам. Однако в зависимости от полиморфного состояния структура может иметь различное строение.

Плутоний как радиоактивный элемент применяют в основном в военной технике для производства термоядерного оружия. Распад (деление) некоторых из его изотопов сопровождается выделением огромного количества энергии, которая используется при атомных взрывах. Однако плутоний имеет также большое значение для мирных целей в качестве горючего в энергетических ядерных реакторах.

303

При облучении нейтронами наиболее распространенного изотопа уран-238 получается делящийся плутоний Рu239, применение которого как побочного продукта сжигания урана в ядерных реакторах может увеличить мировые запасы ядерной энергии более чем в 100 paз. Однако высокая стоимость исходного сырья, низкое содержание извлекаемого металла и сложность процесса отделения плутония от сопровождающего его урана и продуктов деления делают плутоний весьма дорогим и пока мало доступным материалом для его использования в ядерной технике.

Сплавы плутония

Сплавы плутония с алюминием обычно содержат 2–20 % (мас.) [0,2–2,8 % (ат.)] Рu. Их используют в тепловых реакторах как очень разбавленное твердое горючее. Диаграмма состояния Al–Pu дана на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Диаграмма состояния системы Al–Pu

Растворимость плутония в твердом состоянии составляет порядка 0,06 % при температуре эвтектики (~ 652 оС), уменьшаясь приблизительно до 0,02–0,03 % при 427 оС. Эвтектическое превращение Ж → (А1 + РuА14) происходит при 650–653 оС. Эвтектическая точка отвечает ≈ 13 % (мас.) Рu. Соединение РuА14 (69,2 % Рu) имеет орторомбическую решетку и образуется при ~ 927 оС по перитектической реакции. Для соединения РuА13 (77,4 % Рu) характерно несколько аллотропических модификаций.

304

В литом состоянии сплав алюминия с 12 % Рu имеет микротвердость HV = 500 МПа, временное сопротивление σв = 160 МПа, условный пре-

дел текучести σ0,2 = 40 МПа. Литой сплав А1–40 % Рu имеет HV = 750 МПа. В отожженном состоянии приведенные механические свойства сплава

А1–12 % Рu ниже, чем после литья.

Легирование плутонием повышает стойкость к коррозии в перегретой воде: коррозионная стойкость сплава с 20 % Рu во много раз выше, чем сплава с 5 % Рu.

Самое важное свойство данных сплавов при использовании в качестве топлива в атомных реакторах – их низкая степень распухания при выгорании вследствие абсорбции расщепленного газа вакансиями, содержащимися в решетке соединения РuА14.

Сплавы плутония с торием содержат 5–50 % (ат.) плутония. Их используют в реакторах как умеренно концентрированное твердое горючее. При введении плутония в указанных концентрациях образуется α-твердый раствор на основе тория (рис.10.5).

Сплавы, содержащие 15 % (мас.) плутония, имеют высокую стойкость против радиационного повреждения и являются надежным материалом в атомной технике.

305

Сложнолегированные сплавы плутония с ураном представляют большой интерес в качестве основы горючих материалов, так как при введении в плутониевый реактор урана-238 можно осуществить «воспроизводство» нового плутония-239, что позволит продлить срок работы реактора. Наибольший практический интерес имеют сплавы, содержащие 20–40 % (ат.) плутония. Согласно диаграммы состояния Pu–U (рис. 10.6) эти сплавы состоят из β-фазы. Есть данные о сложнолегированном сплаве

Pu–U: 69,2 % U, 20 % Pu, 4,3 % Ru, 2,8 % Mo, 2,5 % Pd, 0,7 % Re, 0,5 % Zr.

Этот сплав имеет хорошую стойкость против облучения.

Рис. 10.6. Диаграмма состояния системы Pu–U

Торированные катоды используют в электронных лампах, а оксидиоториевые – в магнетронах и мощных генераторных лампах. Добавка 0,8-1 % ThO2 к вольфраму стабилизирует структуру нитей ламп накаливания. Оксид тория ThO2 используют как огнеупорный материал для изготовления тиглей, а также как элемент сопротивления в высокотемпературных печах. Торий и его соединения широко применяют в составе катализаторов окисления в органическом синтезе, для легирования магниевых сплавов, а также как присадочный материал при сварке молибдена с целью повышения пластичности шва. Основное применение тория – ядерное горючее.

Металлический уран используют главным образом в ядерных реакторах, производящих плутоний и электроэнергию. Уран можно приме-

306

нять в качестве геттера в вакуумных трубках, электродного материала в высоко- и низковольтных выпрямителях, источниках ультрафиолетового излучения в электрических дугах, 233U является источником энергии в ядерном оружии.

Плутоний 239Рu используют в атомных реакторах. Энергия, освобождающаяся при расщеплении одного грамма 239Рu, эквивалентна теплоте, выделяющейся при сгорании 4000 кг угля, т.е. 239Рu – эффективный источник атомной энергии. Изотоп 238Рu используют для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Такие батарейки применяют, например, в генераторах тока, стимулирующих работу сердца [5, 18, 23, 24, 27].

Контрольные вопросы

изадания

1.Каковы структура и свойства тория?

2.Охарактеризуйте состав, структуру, свойства, обработку, применение сплавов тория.

3.Каковы структура и свойства урана?

4.Каково влияние ниобия и циркония на свойства урана?

5.Назовите области применения урана.

6.Каковы структура и свойства плутония?

7.Охарактеризуйтеструктуру, свойства, применениесплавов плутония.

307

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Трудно представить существование современного общества без металлов и сплавов. Медь и малолегированные сплавы с высокой электропроводностью используют в электротехнике, давно применяют бронзы и латуни. Медно-никелевые сплавы, имеющие высокую коррозионную стойкость, используют в промышленности и в быту.

Применение магниевых сплавов позволяет снизить массу деталей машин в самолетах, вертолетах, автомобилях и в других областях техники. Титан предназначался прежде всего для авиакосмической техники. В настоящее время его применяют в судостроении, в химическом, транспортном, пищевом машиностроении, строительстве, медицине и других областях.

Новые области применения тугоплавких металлов связаны с авиацией, ракетной техникой, с ядерной энергетикой. Редкий и дорогой металл бериллий применяют в авиации и ракетной технике, в конструкции подводных лодок и торпед. Никелевые сплавы используют прежде всего как жаростойкие и жаропрочные материалы. Благородные металлы – это валюта и ювелирные изделия, их применяют также для изготовления точных измерительных и регулирующих приборов. Радиоактивные металлы – ядерное горючее. Добавка тория к магнию способствует получению жаропрочных магниевых сплавов.

Большая часть данного пособия посвящена алюминию и его сплавам. И это не случайно, так как алюминий – важный материал в авиации и ракетостроении. В последнее время алюминиевые сплавы находят все большее применение в судостроении, строительстве, пищевой промышленности (фольга, лента). Изготавливают литые и штампованные диски колес для легковых и грузовых автомобилей, а также для мотоциклов. Получают прессованные профили (ложемент багажника, топливная рампа, подушка опоры двигателя, бампер). Разработаны предложения по использованию в автомобилестроении пеноалюминия для звукопоглощающих элементов и конструкций, поглощающих энергию удара. В 2005 г. в России был получен новый сплав 1935В на основе системы Al–Mg–Si для изготовления железнодорожных вагонов.

Даже краткий обзор применения цветных металлов и сплавов позволяет судить о их роли в жизни современного человека. Автор надеется, что знания структуры и свойств цветных сплавов, а также способов воздействия на них, рассматриваемых в предлагаемом пособии, помогут будущим специалистам-металловедам в их профессиональной деятельности.

308