Сплав плутония и галлия
Сплав плутония-галлия ( Pu-Ga ) — сплав плутония , и галлия , используемый в ямах для ядерного оружия компонент ядерного оружия, где запускается цепная реакция деления. Этот сплав был разработан в ходе Манхэттенского проекта .
Обзор [ править ]
Металлический плутоний имеет несколько различных твердых аллотропов . Фаза δ является наименее плотной и наиболее легко обрабатываемой. Он образуется при температуре 310–452 °С при давлении окружающей среды (1 атмосфера) и термодинамически неустойчив при более низких температурах. Однако плутоний можно стабилизировать в δ-фазе, легировав его небольшим количеством другого металла. Предпочтительный сплав представляет собой 3,0–3,5 мол.% (0,8–1,0 мас.%) галлия .
Pu–Ga имеет множество практических преимуществ: [1]
- стабилен при температуре от −75 до 475 °C,
- очень низкое тепловое расширение ,
- низкая подверженность коррозии (4% от скорости коррозии чистого плутония),
- хорошая литейность; поскольку плутоний обладает редким свойством: расплавленное состояние более плотное, чем твердое, склонность к образованию пузырьков и внутренних дефектов уменьшается.
Использование в ядерном оружии [ править ]
Стабилизированная δ-фаза Pu–Ga пластична, ее можно раскатывать в листы и подвергать механической обработке обычными методами. Подходит для формования методом горячего прессования при температуре около 400 °C. Этот метод использовался для формирования первых ям для ядерного оружия.
Более современные ямы изготавливаются методом литья. Подкритические испытания показали, что характеристики кованого и литого плутония одинаковы. [2] [3] Поскольку при охлаждении происходит только переход ε-δ, отливать Pu-Ga проще, чем отливать чистый плутоний. [4]
δ-фаза Pu–Ga по-прежнему термодинамически нестабильна, поэтому существуют опасения по поводу ее поведения при старении. Между различными фазами существуют существенные различия в плотности (и, следовательно, объеме). Переход между δ-фазой и α-фазой плутония происходит при низкой температуре 115 °C и может быть достигнут случайно. Предотвращение фазового перехода и связанных с ним механических деформаций и последующих структурных повреждений и/или потери симметрии имеет решающее значение. При содержании галлия менее 4 мол.% фазовый переход под давлением необратим.
Однако смена фаз полезна во время действия ядерного оружия. Когда реакция начинается, она создает огромное давление, порядка сотен гигапаскалей. В этих условиях δ-фаза Pu–Ga превращается в α-фазу, которая на 25% плотнее и, следовательно, более критична .
Эффект галлия [ править ]
Плутоний в своей α-фазе имеет низкую внутреннюю симметрию, вызванную неравномерностью связей между атомами, и больше напоминает (и ведет себя) керамику, чем металл . Добавление галлия делает связи более ровными, повышая стабильность δ-фазы. [5] Связи α-фазы опосредуются 5f-электронами оболочки и могут быть нарушены при повышении температуры или присутствии подходящих атомов в решетке, которые уменьшают доступное количество 5f-электронов и ослабляют их связи. [6] Сплав более плотный в расплавленном состоянии, чем в твердом, что дает преимущество при литье, поскольку снижается склонность к образованию пузырей и внутренних дефектов. [1] [7]
Галлий имеет тенденцию сегрегироваться в плутонии, вызывая «сердцевину» - богатые галлием центры зерен и границы зерен с низким содержанием галлия. Чтобы стабилизировать решетку, развернуть ее и предотвратить сегрегацию галлия, необходим отжиг при температуре чуть ниже фазового перехода δ–ε, чтобы атомы галлия могли диффундировать через зерна и создавать однородную структуру. Время достижения гомогенизации галлия увеличивается с увеличением размера зерна сплава и уменьшается с увеличением температуры. Структура стабилизированного плутония при комнатной температуре такая же, как и нестабилизированного при температуре δ-фазы, с отличием в атомах галлия, замещающих плутоний в ГЦК- решетке.
Присутствие галлия в плутонии означает его происхождение из оружейных заводов или снятого с эксплуатации ядерного оружия. Изотопная сигнатура плутония позволяет грубо идентифицировать его происхождение, метод производства, тип реактора, использованного при его производстве, и приблизительную историю облучения, а также сопоставить его с другими образцами, что имеет важное значение при расследовании ядерной контрабанды . [8]
Старение [ править ]
Существует несколько интерметаллических соединений плутония и галлия : PuGa, Pu 3 Ga и Pu 6 Ga.
При старении стабилизированного δ-сплава галлий отделяется от решетки, образуя области Pu 3 Ga (ζ'-фаза) внутри α-фазы с соответствующим изменением размеров и плотности и нарастанием внутренних напряжений. Однако при распаде плутония образуются энергичные частицы ( альфа-частицы и ядра урана-235 ), которые вызывают локальное разрушение ζ'-фазы и устанавливают динамическое равновесие при наличии лишь небольшого количества ζ'-фазы, что объясняет неожиданно медленное развитие сплава. изящное старение. [9] [10] Альфа-частицы улавливаются в виде межузельных атомов гелия в решетке, объединяясь в крошечные (диаметром около 1 нм) пузырьки, заполненные гелием, в металле и вызывая незначительный уровень разбухания пустот ; размеры пузырьков кажутся ограниченными, хотя их количество со временем увеличивается.
Добавление в сплав 7,5 мас.% плутония-238 , который имеет значительно более высокую скорость распада, увеличивает скорость повреждения от старения в 16 раз, что помогает в исследованиях старения плутония. Суперкомпьютер Blue Gene помог моделировать процессы старения плутония. [11]
Производство [ править ]
Сплавы плутония можно производить путем добавления металла в расплавленный плутоний. Однако, если легирующий металл достаточно восстановителен, плутоний можно добавлять в виде оксидов или галогенидов. Сплавы плутоний-галлий и плутоний-алюминий с δ-фазой производятся путем добавления фторида плутония (III) к расплавленному галлию или алюминию, что позволяет избежать прямого взаимодействия с высокореактивным металлическим плутонием. [12]
Переработка в МОХ-топливо [ править ]
Для переработки избыточных ячеек боеголовки в МОКС-топливо необходимо удалить большую часть галлия, поскольку его высокое содержание может мешать оболочке ( твэла галлий разрушает цирконий) . [13] ) и с миграцией продуктов деления в топливные таблетки. В процессе ARIES ямки преобразуются в оксид путем преобразования материала в гидрид плутония , затем, при необходимости, в нитрид, а затем в оксид. Затем галлий в основном удаляется из смеси твердых оксидов путем нагревания при 1100 ° C в атмосфере, состоящей из 94% аргона и 6% водорода, что снижает содержание галлия с 1% до 0,02%. Дальнейшее разбавление оксида плутония при производстве МОХ-топлива доводит содержание галлия до уровня, который считается незначительным. мокрый способ удаления галлия с использованием ионного обмена . Также возможен [14] Электрорафинирование — еще один способ разделения галлия и плутония. [15]
История развития [ править ]
Во время Манхэттенского проекта (1942-1945 гг.) максимальное количество атомов-разбавителей, чтобы плутоний не влиял на эффективность взрыва, было рассчитано равным 5 мол.%. Были рассмотрены два стабилизирующих элемента: кремний и алюминий . Однако только алюминий давал удовлетворительные сплавы. Но склонность алюминия реагировать с α-частицами и испускать нейтроны ограничивала его максимальное содержание 0,5 мол.%; следующий элемент из группы бора , галлий, был опробован и признан удовлетворительным. [16] [17] Первые секреты конструкции атомной бомбы, переданные Советам шпионом Клаусом Фуксом, включали трюк с галлием для стабилизации фаз плутония, и поэтому в первой советской атомной бомбе также использовался этот сплав. [18]
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: а б «Драма плутония» . Международная ядерная инженерия. 2005. Архивировано из оригинала 15 сентября 2010 г. Проверено 25 января 2010 г.
- ^ «Итальянские жеребцы и плутоний» . Джеффри . Проверено 25 января 2010 г.
- ^ «Оптическая пирометрия в подкритическом эксперименте Армандо» . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Проверено 25 января 2010 г.
- ^ «Плутоний (Pu)» . Centurychina.com. Архивировано из оригинала 7 января 2010 года . Проверено 25 января 2010 г.
- ^ «Ученые решают давние вопросы о плутонии» . инновации-отчет. 2006 год . Проверено 25 января 2010 г.
- ^ Хеккер, Зигфрид С. (2000). «Плутоний и его сплавы» (PDF) . Лос-Аламос Сайенс (26) . Проверено 25 января 2010 г.
- ^ Дарби, Ричард. «Моделирование параметра решетки твердого раствора плутония-алюминия» (PDF) . Проверено 25 января 2010 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Эдвардс, Роб (19 августа 1995 г.). «Делящиеся отпечатки пальцев» . Новый учёный . Проверено 25 января 2010 г.
- ^ Марц, Джозеф К.; Шварц, Адам Дж. «Плутоний: механизмы старения и оценка срока службы оружейной ямы» . Общество минералов, металлов и материалов. Архивировано из оригинала 3 марта 2016 г. Проверено 25 января 2010 г.
- ^ Вулфер, В.Г.; Удо, Б.; Баклет, Н. (2006). «Обратимое расширение стабилизированного галлием δ-плутония» . Журнал ядерных материалов . 359 (3): 185–191. Бибкод : 2006JNuM..359..185W . дои : 10.1016/j.jnucmat.2006.08.020 .
- ^ «Оружейный плутоний США изящно стареет» . Обзоры науки и технологий. Архивировано из оригинала 17 февраля 2013 г. Проверено 25 января 2010 г.
- ^ Муди, Кентон Джеймс; Хатчон, Ян Д.; Грант, Патрик М. (28 февраля 2005 г.). Ядерно-криминалистический анализ . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8493-1513-8 .
- ^ «Взаимодействие галлия с оболочкой из циркалоя» (PDF) . Национальный ресурсный центр Амарилло по плутонию. Архивировано из оригинала (PDF) 2 марта 2012 г. Проверено 25 января 2010 г.
- ^ Тоевс, Джеймс В.; Берд, Карл А. «Галлий в производстве оружейного плутония и МОКС-топлива» . ИИЭЭ . Проверено 25 января 2010 г.
- ^ «Способ разделения плутония-галлия анодным растворением твердого сплава плутония-галлия» . Фрепатент . Проверено 25 января 2010 г.
- ^ «Первое ядерное оружие: часто задаваемые вопросы о ядерном оружии» . Проверено 25 января 2010 г.
- ^ «Доктор Смит едет в Лос-Аламос» (PDF) . РЕЗОНАНС. Июнь 2006 года . Проверено 25 января 2010 г.
- ^ «Драма плутония — Nuclear Engineering International» . www.neimagazine.com . Архивировано из оригинала 9 ноября 2021 года . Проверено 5 февраля 2022 г.