Калин Физическое материаловедение Том 6 Част 2 2008

Физические свойства урана

Природный уран содержит три нуклида 238U (99,276 %), 235U (0,718 %) и 234U (0,0056 %). Искусственным путем получено одиннадцать нуклидов урана с массовыми числами от 227 до 240.

Ядерно-физические свойства естественного урана и некоторых его нуклидов при взаимодействии с тепловыми и быстрыми нейтронами приведены в табл. 24.2.

Из табл. 24.2 видно, что 238U не способен к делению под действием тепловых нейтронов. С увеличением их энергии сечения деления и захвата нейтронов нуклидами урана существенно уменьшаются. При высоких энергиях нейтронов, превышающих 0,6 МэВ, 238U способен делиться, что дает положительный вклад в баланс нейтронов в активной зоне быстрого реактора.

Особую роль среди нуклидов урана играет искусственный неделящийся нуклид 236U. Он образуется в результате радиационного захвата нейтронов нуклидом 235U. Количество ядер 235U, превращающихся в тепловых реакторах в 236U, составляет ~ 1,5 %. Часть образовавшегося 236U за счет захвата нейтронов превращается в ценные нуклиды 237Np и 238Рu. В процессе выгорания топлива в некоторый момент времени достигается равновесная концентрация 236U вследствие того, что количество образующегося 236U становится равным его убыли.

31

Накопление 236U в ядерном топливе приводит к снижению глубины выгорания и уменьшению эффективности обогащения регенерированного урана, что в целом увеличивает стоимость топливного цикла на обогащенном уране.

Электронная структура. Уран по числу и строению электронных оболочек его атомов относится к группе актиноидных элементов, аналогов группы лантаноидов. В атоме урана полностью заполнены К-, L-, М- и N-оболочки. Целиком заполнены подуровни 5s, 5p, 5d, 6s и 6р. Валентные электроны атомов урана имеют конфигурацию 7s 26d 15f 3. Первыми возбужденными состояниями атома являются (в порядке роста энергии): f 3d 2s; f 4d 2s 2; f 3s 2p; f 3dsp; f4ds; f4sp и так далее.

Аллотропические превращения. Температура плавления вы-

сокочистого урана составляет 1130°С. Ниже этой температуры уран существует в трех аллотропических модификациях: , и γ. Температура фазовых превращений составляет для ↔ - превращения 667 °С и для ↔γ-превращения 775 °С. Для урана с различным содержанием примесей они могут иметь несколько отличные значения. Аллотропические превращения сопровождаются значительными объемными изменениями, которые составляют при↔ -превращении ~ 1,05 %, при ↔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. 24.3.

32

Орторомбическая структура -урана может быть представлена в виде гофрированных слоев атомов, параллельных плоскости (010) (рис. 24.7, а). Связь между атомами в гофрированных слоях является ковалентной, что обусловлено гибридизацией четырех электронов 5f- и 6d-подуровней и одного электрона на 7s-уровне.

Между слоями связь имеет металлический характер и является более слабой. Вследствие такой структуры -уран обладает большой анизотропностью. Сложная тетрагональная решетка -фазы является слоистой (рис. 24.7, б). Она состоит из гладких слоев, перпендикулярных направлению [001]. Слои двух типов В и С с плотной упаковкой атомов, подобной гексагональной, связаны между собой волнистыми слоями А с малой плотностью упаковки.

-Фаза урана обладает анизотропией свойств, которая, однако, не является такой сильной, как в-уране. Кристаллическая структура γ-урана, имеющего ОЦК решетку, типична для металлов и обладает высокой изотропностью.

Плотность. Фазы урана имеют различную плотность. Ее значения при разных температурах, вычисленные по рентгенографическим данным, приведены в табл. 24.4.

Из данных табл. 24.4 видно, что с повышением температуры плотность модификаций урана уменьшается. При температурах фазовых переходов она изменяется скачкообразно. Экспериментальные значения плотности зависят от технологии изготовления и могут заметно отличаться от теоретических. Плотность жидкого урана при температуре плавления составляет 16,63 г/см3.

33

Таблица 24.4

Температурная зависимость плотности урана

Удельная теплоемкость. В области низких температур удельная теплоемкость урана быстро растет при нагреве до 200 К, а затем медленно увеличивается до температуры -перехода. При аллотропических превращениях теплоемкость скачкообразно пада-

ет (рис. 24.8).

Рис. 24.8. Температурная зависимость атомной теплоемкости урана (по данным различных исследований)

Теплопроводность. Коэффициент теплопроводности урана невелик, и при комнатной температуре он равен ~ 27 Вт/(м·К), что ниже, чем у железа. С ростом температуры коэффициент теплопроводности урана повышается (рис. 24.9) и при 600 °С он составляет

34

~ 41 Вт/(м·К). На температурной кривой теплопроводности можно отметить два перегиба. Один из них при 213 °С обусловлен, повидимому, переходом от электронной теплопроводности к решеточной, а другой – при 227 °С – сильным ослаблением ковалентных связей урана.

Рис. 24.9. Зависимость теплопроводности урана от температуры

Имеются данные, что в направлении деформации теплопроводность урана выше, чем в перпендикулярном направлении, т.е. она имеет анизотропный характер. Вместе с тем при температуре фазового перехода ↔ скачкообразное изменение теплопроводности отсутствует. Установлено, что величина коэффициента теплопроводности урана мало зависит от содержания таких примесей, как железо, алюминий и углерод.

Термическое расширение. Монокристаллический -уран, имеющий орторомбичекую решетку, характеризуется сильной анизотропией термического расширения по осям [100], [010] и [001], обозначаемым соответственно а0, b0 и с0. Из рис. 24.10, где представлена температурная зависимость параметров решетки, видно, что при нагревании решетка -урана расширяется по осям а0 и с0 мало изменяясь и даже сжимаясь при высоких температурах по оси b0. Значения коэффициентов термического расширения по трем кристаллографическим направлениям, а также величины объемного и линейного коэффициентов термического расширения -урана представлены в табл. 24.5.

35

В интервале температур 43–20 К происходит аномальное изменение параметров решетки -урана: по осям a0 и b0 они резко увеличиваются, а по оси с0 – уменьшаются. Температурный коэффициент термического расширения V становится отрицательным. Это изменение V сопровождается аномальным изменением других физических свойств.

В случае поликристаллического-урана значения коэффициента

линейного расширения l, сильно

Рис. 24.10. Зависимость параметров решетки -урана от температуры зависят от предшествующей обра-

ботки образцов. Отклонение l от величины, присущей изотропному образцу, может характеризовать наличие в нем текстуры.

Введение и -уран легирующих добавок в виде Аl, Мо, V и Сr несколько снижает коэффициент термического расширения. Монокристаллический -уран также обладает анизотропией коэффициента линейного расширения по кристаллографическим осям:

a = b = (23,4 ± 1,5)·10-6 К-1 и с = (6,0 ± 2)·10-6 К-1.

Изотропный γ-уран с ОЦК решеткой имеет коэффициент линейного расширения (22,5 ± 1,3)·10-6 К-1.

36

Сильная анизотропия коэффициента линейного расширения монокристаллов - и особенно -урана приводит к тому, что в поликристаллическом уране, имеющем квазиизотропную структуру, при нагреве или охлаждении мoгут возникать значительные внутренние напряжения, превышающие предел текучести. Они являются 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 -урана обусловливает анизотропию его удельного электросопротивления. Так, при комнатной температуре электросопротивление 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 электросопротивления наблюдается излом, соответствующий аномалии коэффициента термического расширения. Примеси увеличивают электросопротивление урана.

Самодиффузия. Коэффициент самодиффузии урана имеет минимальные значения в -области. В -области он несколько выше, а в γ-области коэффициент самодиффузии приблизительно в 150 раз больше значений, полученных в -области. Энергия активации самодиффузии в -, - и γ-областях составляет соответственно 167,2, 184,8 и 111,6 кДж/г·атом. В областях существования - и - фаз существует анизотропия самодиффузии. В -уране минимальное значение коэффициента самодиффузии получено для направ-

ления [010].

В области -фазы урана самодиффузия проходит главным образом по границам зерен и субзерен; объемная самодиффузия протекает со значительно меньшей скоростью (на 4 – 5 порядков). Энергии активации объемной и граничной самодиффузии приблизительно одинаковы и близки к энергии активации миграции вакансий. Наиболее достоверное значение энергии активации самодиффузии -урана составляет ~250,8 кДж/г-атом.

37

Механические свойства урана

Металлический уран обладает невысокими механическими свойствами. В -фазе он малопластичен, сравнительно трудно обрабатывается и на его механические свойства сильно влияют температура, предшествующая обработка, а также наличие примесей.-Фаза урана имеет низкую пластичность, тогда как в γ-фазе уран весьма пластичен и легко деформируется. Однако Высокая химическая активность урана при температурах существования γ-фазы сильно затрудняет все виды его обработки давлением.

Упругие свойства. Монокристаллический уран обладает сильной анизотропией упругих свойств. Для него модуль Юнга максимален в плоскости (100) в направлении, составляющем угол ~3 ºС направлением [001], и минимален в направлении [010]. При нагреве монокристалла выше 575 ºС минимальное значение модуля Юнга имеет другое направление, лежащее в плоскости (010) и составляющее угол в 45° с направлением [100].

В области температур (37 ± 2 К), где имеется аномальное изменение других свойств, обнаружено также аномальное изменение упругих постоянных монокристаллического -U. Предполагается, что это явление обусловлено аллотропическим превращением - фазы в фазу 0. Структура этих фаз различается незначительно, а зерна фазы 0 когерентны матричной фазе.

Упругие характеристики поликристаллического -урана зависят от предшествующей обработки образцов. Для любого урана при комнатной температуре средние значения модуля Юнга Е и модуля сдвига G равны соответственно 205 и 83,4 ГПа, а коэффициент Пуассона μ составляет 0,23. В то же время для закаленного из -фазы урана эти значения равны E = 175 ГПа, G = 70 ГПа, μ = 0,25.

Температурная зависимость модуля Юнга для поликристаллического урана показана на рис. 24.11. С ростом температуры он уменьшается почти пропорционально температуре, а выше ~ 650 С резко убывает, что связано, по-видимому, с вязко-пластичным поведением урана.

38

шение из интеркристаллитного становится транскристаллитным. Температура перехода зависит от содержания примесей, формы и размера зерна.

Таблица 24.6

Механические свойства урана

Примеси повышают температуру хрупко-вязкого перехода: примеси железа (до 0,1 мас.%) и алюминия (до 5·10-2 мас.%) увеличивают её почти на 200 °С. Особенно сильно влияет на механические свойства урана присутствие в нем водорода. Уран, содержащий (0,3 ÷ 0,8)·10-4 мас.% водорода, переходит в хрупкое состояние при комнатной температуре. Наиболее сильное охрупчивание отмечено при содержании в нем 2,5·10-4 мас.% водорода. Вместе с тем, количество водорода, вызывающего охрупчивание урана, зависит от содержания в последнем примесей, технологии изготовления и других факторов. Повышение содержания водорода до (12÷15)·10-4 мас.% не приводит к дальнейшему понижению свойств. Основной причиной охрупчивания урана является, повидимому, образование сетки выделений гидрида. Отжиг в вакууме

40