stringtranslate.com

Аллотропы плутония

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

Плутоний встречается в различных аллотропах , даже при давлении окружающей среды. 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 седьмой (дзета, ζ) при высокой температуре и ограниченном диапазоне давлений. [1] [2] [3] Эти аллотропы имеют очень похожие уровни энергии , но значительно различаются по плотности и кристаллической структуре . Это делает плутоний очень чувствительным к изменениям температуры, давления или химии и допускает резкие изменения объема после фазовых переходов . [4] В отличие от большинства материалов, плутоний увеличивается в плотности при плавлении на 2,5%, но жидкий металл демонстрирует линейное уменьшение плотности с температурой. [5] Плотности различных аллотропов варьируются от 16,00 г/см 3 до 19,86 г/см 3 .

Обработка плутония

Наличие этих многочисленных аллотропов делает обработку плутония очень сложной, так как он очень легко меняет свое состояние. Например, альфа-фаза (α) существует при комнатной температуре в нелегированном плутонии. Он имеет характеристики обработки, похожие на характеристики чугуна , но переходит в бета-фазу (β) при несколько более высоких температурах.

Причины сложной фазовой диаграммы не полностью поняты; недавние исследования были сосредоточены на построении точных компьютерных моделей фазовых переходов. Фаза α имеет низкосимметричную моноклинную структуру, [6] отсюда ее плохая проводимость, хрупкость, прочность и сжимаемость. [1]

Стабилизация

Плутоний в дельта (δ) фазе [7] обычно существует в диапазоне от 310 °C до 452 °C, но стабилен при комнатной температуре при сплавлении с небольшим процентом галлия , алюминия или церия , что повышает его обрабатываемость и позволяет сваривать его в оружейных приложениях. δ фаза имеет более типичный металлический характер и примерно такая же прочная и пластичная, как алюминий. В оружии деления взрывные ударные волны, используемые для сжатия плутониевого ядра , также вызовут переход из обычной δ фазы плутония в более плотную α фазу, что значительно помогает достичь сверхкритичности . [8] Сплав плутония с галлием 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 допускают образование метастабильного δ-состояния при быстром охлаждении. Высокое количество гафния , гольмия и таллия также позволяет сохранять часть δ-фазы при комнатной температуре. Нептуний является единственным элементом, который может стабилизировать α-фазу при более высоких температурах. Титан , гафний и цирконий стабилизируют β-фазу при комнатной температуре при быстром охлаждении. [4]

Фазовая диаграмма плутония (данные 1975 г.) [9]
Детали фазовой диаграммы для более низких давлений

Ссылки

  1. ^ abc Бейкер, Ричард Д.; Хеккер, Зигфрид С.; Харбур, Делберт Р. (зима–весна 1983 г.). «Плутоний: кошмар военного времени, но мечта металлурга» (PDF) . Los Alamos Science . Los Alamos National Laboratory: 148, 150–151.
  2. ^ S. Dabos-Seignon, JP Dancausse, R. Gering, S. Heathman, U. Benedict: Фазовый переход в α-Pu, вызванный давлением. В: Journal of Alloys and Compounds . 190, 1993, S. 237–242 (doi:10.1016/0925-8388(93)90404-B).
  3. ^ визуализация кристаллической структуры на log-web.de.
  4. ^ ab Hecker, Siegfried S. (2000). «Плутоний и его сплавы: от атомов до микроструктуры» (PDF) . Los Alamos Science . 26 : 290–335.
  5. ^ Майнер, Уильям Н.; Шонфельд, Фред В. (1968). «Плутоний». В Клиффорде А. Хэмпеле (ред.). Энциклопедия химических элементов . Нью-Йорк: Reinhold Book Corporation. стр. 544.
  6. ^ "геометрия кристаллического альфа-плутония".
  7. ^ "геометрия кристаллического дельта-плутония".
  8. ^ Фазовые переходы кристаллов плутония. Globalsecurity.org (27 апреля 2005 г.). Получено 08.02.2010.
  9. ^ Дэвид А. Янг (11 сентября 1975 г.). «Фазовые диаграммы элементов» (PDF) . Лаборатория Лоуренса в Ливерморе.