Калин Физическое материаловедение Том 6 Част 2 2008
.pdfФизические 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.
|
|
Ядерно-физические свойства урана |
|
|
Таблица 24.2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Период |
|
|
|
Сечения реакций, барн |
|
|
|||
|
Тепловые нейтроны |
Быстрые нейтроны |
||||||||
Нуклид |
полу- |
|
с Е = 0,025 эВ |
|
с Е = 1,8 МэВ |
|||||
|
распада |
деле- |
|
захва- |
поглоще- |
деле- |
|
захва- |
|
поглоще- |
|
|
ния |
|
та |
ния |
ния |
|
та |
|
ния |
233U |
1,62·105 |
531,1 |
|
47,7 |
578,8 |
1,902 |
|
0,0951 |
|
1,9971 |
235U |
7,13·108 |
582,2 |
|
98,6 |
680,8 |
1,274 |
|
0,0764 |
|
1,3504 |
238U |
4,51·109 |
0 |
|
2,71 |
2,71 |
0,535 |
|
0,0428 |
|
0,5778 |
Естест- |
- |
4,18 |
|
3,51 |
7,69 |
0,535 |
|
0,0428 |
|
0,5778 |
венный U |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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.
|
Кристаллическая структура урана |
Таблица 24.3 |
||||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Фаза |
Температурная область |
Элементарная ячейка |
|
|
||
|
Параметры, |
|
Число ато- |
|
||
существования, °С |
Тип решетки |
|
|
|||
|
|
|
нм |
|
мов в ячейке |
|
|
|
|
а = 0,28539 |
|
|
|
|
Ниже 667 |
Орторомбическая |
b = 0,58691 |
|
4 |
|
|
|
|
с = 0,49554 |
|
|
|
|
667 – 775 |
|
а0 = 1,0759 |
|
|
|
|
Тетрагональная |
b0 = 0,5656 |
|
30 |
|
|
|
|
|
при 720 °С |
|
|
|
γ |
775 – 1130 |
ОЦК |
с0 = 0,3538 |
|
2 |
|
при 850 °С |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
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
Температура, |
Плотность, |
Температура, |
Плотность, |
°С |
г/см3 |
°С |
г/см3 |
-Фаза |
-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 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.
|
Термическое расширение урана |
|
Таблица 24.5 |
||||||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Температурный |
|
|
Коэффициент термического расширения, ·10-6, К-1 |
||||||
интервал, °С |
|
по кристаллографическим осям |
объемный |
линейный |
|||||
|
αa |
|
[100] |
αb °[010] |
αc |
[001] |
|||
|
0 |
V |
|
l |
|||||
|
|
|
0 |
0 |
|
|
|
||
20 – 100 |
23,9 |
± 1,0 |
-5,4 |
|
19,5 |
48,8 |
|
16,3 |
|
20 – 300 |
29,8 |
± 1,0 |
-0,4 |
|
23,5 |
51,7 |
|
17,2 |
|
20 – 500 |
39,2 |
± 1,0 |
-6,3 |
|
27,6 |
54,2 |
|
18,1 |
|
20 – 600 |
43,0 |
± 1,0 |
-16,2 |
|
33,6 |
63,6 |
|
21,2 |
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
Рис. 24.11. Зависимость модуля упругости поликристаллического урана от температуры
Механические свойства урана зависят от чистоты, содержания и характера примесей, а также состояния металла. При комнатной температуре существенное влияние на механические свойства оказывает углерод, изменение содержания которого от 0,01 до 0,2 % приводит к увеличению пределов прочности и текучести урана при комнатной температуре на 40 – 50 %. Значительно повышают прочность урана также примеси железа, кремния и алюминия.
Механические свойства урана в различном состоянии при комнатной температуре приведены в табл. 24.6. Литой уран обладает низкими прочностными и пластическими характеристиками. Подобные характеристики имеет уран после прокатки в γ-области с быстрым охлаждением, а также в -области и отожженный в γ- области. Прочность и пластичность существенно повышаются в результате закалки из γ- или -фаз, а также обработки давлением в-фазе. Отжиг в -фазе несколько снижает прочность. Механические свойства сильно деформированного урана (листовой, кованый) анизотропны. Так, в случае листового урана прочность вдоль направления прокатки выше, чем поперек.
Особенностью урана, как и металлов с ОЦК решеткой, является переход из пластичного состояния в хрупкое (резкое снижение пластичности) при понижении температуры в интервале от +100 до
–196 С. При этом уменьшается также предел прочности, а разру-
39
шение из интеркристаллитного становится транскристаллитным. Температура перехода зависит от содержания примесей, формы и размера зерна.
Таблица 24.6
Механические свойства урана
Вид обработки |
σ0,2, МПа |
σв МПа |
ψ, % |
δ, % |
|
Литье |
190 |
370 |
10 |
4 |
|
|
290 |
480 |
11 |
6 |
|
Горячая прокатка в γ-области с |
250 |
400 |
- |
≥ 5 |
|
быстрым охлаждением |
|||||
|
|
|
|
||
Отжиг в γ-области (после прокатки |
180 |
390 |
10 |
5 |
|
в -области) |
|||||
|
|
|
|
||
Закалка: |
|
|
|
|
|
из γ-области после литья |
460 |
600 |
6 |
4 |
|
из -области после прокатки в -области |
250 |
580 |
12 |
9 |
|
из -области после литья |
460 |
580 |
8 |
4 |
|
Прокатка в -области: |
540 |
630 |
3 |
9 |
|
при 500 °С с обжатием на 25 % |
|||||
при 500 °С с обжатием па 50 % |
600 |
710 |
3 |
7 |
|
при 300 °С с обжатием на 28 % |
- |
980 |
27 |
35 |
|
с отжигом при 550 °C |
220 |
620 |
12 |
12 |
|
при 500 °С с обжатием 50 % и |
43 |
600 |
4 |
7 |
|
отжигом при 600 °С |
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