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.
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 .
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]
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]