stringtranslate.com

Аллотропы плутония

Схема аллотропов плутония при атмосферном давлении . Атомные объемы в кубических ангстремах .
[1]

Плутоний встречается в различных аллотропах даже при атмосферном давлении. Эти аллотропы сильно различаются по кристаллической структуре и плотности; аллотропы α и δ различаются по плотности более чем на 25% при постоянном давлении.

Обзор

Плутоний обычно имеет шесть аллотропов и образует седьмую (дзета, ζ) при высокой температуре и ограниченном диапазоне давлений. [1] Эти аллотропы имеют очень похожие энергетические уровни , но значительно различаются плотностью и кристаллической структурой . Это делает плутоний очень чувствительным к изменениям температуры, давления или химического состава и допускает резкие изменения объема после фазовых переходов . [2] В отличие от большинства материалов, плотность плутония при плавлении увеличивается на 2,5%, но жидкий металл демонстрирует линейное снижение плотности с температурой. [3] Плотность различных аллотропов варьируется от 16,00 г/см 3 до 19,86 г/см 3 .

Обработка плутония

Присутствие такого большого количества аллотропов очень затрудняет обработку плутония, поскольку он очень легко меняет состояние. Например, α-фаза существует при комнатной температуре в нелегированном плутонии. Он имеет характеристики обработки, аналогичные чугуну , но переходит в β-фазу ( бета-фазу ) при несколько более высоких температурах. Причины сложной фазовой диаграммы не совсем понятны; недавние исследования были сосредоточены на построении точных компьютерных моделей фазовых переходов. Альфа-фаза имеет низкосимметричную моноклинную структуру, отсюда ее плохая проводимость, хрупкость, прочность и сжимаемость. [1]

Стабилизация

Плутоний в δ-фазе ( дельта-фаза ) обычно существует в диапазоне от 310°C до 452°C, но стабилен при комнатной температуре, если его легировать небольшим процентом галлия , алюминия или церия , что улучшает обрабатываемость и позволяет сваривать его . применение оружия. Фаза δ имеет более типичный металлический характер и примерно такая же прочная и податливая, как алюминий. В оружии деления взрывные ударные волны , используемые для сжатия плутониевого ядра , также вызовут переход от обычного плутония δ-фазы к более плотной α-фазе, что существенно помогает достичь сверхкритичности . [4] Сплав плутония и галлия является наиболее распространенным δ-стабилизированным сплавом.

Галлий , алюминий , америций , скандий и церий могут стабилизировать δ-фазу плутония при комнатной температуре. Кремний , индий , цинк и цирконий позволяют образовывать метастабильное состояние δ при быстром охлаждении. Большое количество гафния , гольмия и таллия также позволяет сохранить часть δ-фазы при комнатной температуре. Нептуний — единственный элемент, который может стабилизировать α-фазу при более высоких температурах. Титан , гафний и цирконий стабилизируют β-фазу при комнатной температуре при быстром охлаждении. [2]

Фазовая диаграмма плутония (данные 1975 г.) [5]
Детали фазовой диаграммы для более низких давлений

Рекомендации

  1. ^ abc Бейкер, Ричард Д.; Хеккер, Зигфрид С.; Харбур, Делберт Р. (зима – весна 1983 г.). «Плутоний: кошмар военного времени, но мечта металлурга» (PDF) . Лос-Аламосская наука . Национальная лаборатория Лос-Аламоса: 148, 150–151.
  2. ^ аб Хеккер, Зигфрид С. (2000). «Плутоний и его сплавы: от атомов к микроструктуре» (PDF) . Лос-Аламосская наука . 26 : 290–335.
  3. ^ Майнер, Уильям Н.; Шонфельд, Фред В. (1968). "Плутоний". В Клиффорде А. Хэмпеле (ред.). Энциклопедия химических элементов . Нью-Йорк: Книжная корпорация Рейнхолда. п. 544.
  4. ^ Фазовые переходы кристаллов плутония. Globalsecurity.org (27 апреля 2005 г.). Проверено 8 февраля 2010 г.
  5. ^ Дэвид А. Янг (11 сентября 1975 г.). «Фазовые диаграммы элементов» (PDF) . Ливерморская лаборатория Лоуренса.