Сплава плутоний-галлий ( Pu-Ga ) представляет собой сплав из плутония и галлия , используемая в боксах ядерного оружия , компонент ядерного оружия , где началась цепная реакция деления. Этот сплав был разработан во время Манхэттенского проекта .
Обзор
Металлический плутоний имеет несколько различных твердых аллотропов . Δ-фаза наименее плотная и наиболее легко поддается механической обработке. Он образуется при температурах 310–452 ° C при атмосферном давлении (1 атмосфера) и термодинамически нестабилен при более низких температурах. Однако плутоний можно стабилизировать в δ-фазе, легируя его небольшим количеством другого металла. Предпочтительный сплав - 3,0–3,5 мол.% (0,8–1,0 мас.%) Галлия .
Pu – Ga имеет много практических преимуществ: [1]
- стабильный от −75 до 475 ° C,
- очень низкое тепловое расширение ,
- низкая подверженность коррозии (4% от скорости коррозии чистого плутония),
- хорошая литье; поскольку плутоний обладает редким свойством, заключающимся в том, что расплавленное состояние более плотное, чем твердое, тенденция к образованию пузырьков и внутренних дефектов снижается.
Использование в ядерном оружии
Стабилизированная δ-фаза Pu – Ga пластична, ее можно свернуть в листы и обработать обычными методами. Подходит для формования горячим прессованием при температуре около 400 ° C. Этот метод был использован для формирования первых ям для ядерного оружия.
Более современные ямы производятся методом литья. Докритические испытания показали, что характеристики деформируемого и литого плутония одинаковы. [2] [3] Поскольку во время охлаждения происходит только переход ε-δ, литье Pu-Ga легче, чем литье чистого плутония. [4]
δ-фаза Pu – Ga все еще термодинамически нестабильна, поэтому существуют опасения по поводу ее поведения при старении. Существуют существенные различия в плотности (и, следовательно, в объеме) между различными фазами. 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 последующего повреждения конструкции и / или потери симметрии имеет решающее значение. При 4 мол.% Галлия фазовый переход под давлением необратим.
Однако фазовый переход полезен при срабатывании ядерного оружия. Когда реакция начинается, она создает огромное давление в диапазоне сотен гигапаскалей. В этих условиях δ-фаза Pu – Ga переходит в α-фазу, которая на 25% плотнее и, следовательно, более критична .
Влияние галлия
Плутоний в своей α-фазе имеет низкую внутреннюю симметрию, вызванную неравномерной связью между атомами, больше напоминающую (и ведя себя как) керамику, чем металл . Добавление галлия делает связи более ровными, повышая стабильность δ-фазы. [5] Связи α-фазы опосредуются электронами 5f-оболочки и могут быть разрушены повышением температуры или присутствием подходящих атомов в решетке, которые уменьшают доступное количество 5f-электронов и ослабляют их связи. [6] Сплав в расплавленном состоянии более плотный, чем в твердом, что дает преимущество при литье, поскольку снижается склонность к образованию пузырьков и внутренних дефектов. [1] [7]
Галлий имеет тенденцию выделяться в плутоний, вызывая «корку» - богатые галлием центры зерен и бедные галлием границы зерен. Чтобы стабилизировать решетку и обратить вспять и предотвратить сегрегацию галлия, требуется 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 повышением температуры. Структура стабилизированного плутония при комнатной температуре такая же, как у нестабилизированного при температуре δ-фазы, с той разницей, что атомы галлия замещают плутоний в ГЦК решетке.
Присутствие галлия в плутонии означает его происхождение от оружейных заводов или списанного ядерного оружия. Изотопное подпись плутония затем позволяет грубое определение его происхождения, производство метод, типа реактора , используемый при его производстве, и грубая историю облучения, а также соответствие других образцов, что имеет важное значение в расследовании ядерной контрабанды . [8]
Старение
Существует несколько интерметаллических соединений плутония и галлия : PuGa, Pu 3 Ga и Pu 6 Ga.
Во время старения стабилизированного δ-сплава галлий отделяется от решетки, образуя области Pu 3 Ga (ζ'-фаза) в α-фазе с соответствующим изменением размеров и плотности и накоплением внутренних деформаций. Однако при распаде плутония образуются энергичные частицы ( альфа-частицы и ядра урана-235 ), которые вызывают локальное разрушение ζ '-фазы и устанавливают динамическое равновесие только при небольшом количестве присутствующей ζ' -фазы, что объясняет неожиданно медленный сплав. изящное старение. [9] [10] Альфа-частицы улавливаются как межузельные атомы гелия в решетке, сливаясь в крошечные (диаметром около 1 нм) наполненные гелием пузырьки в металле и вызывая незначительные уровни набухания пустот ; размер пузырей кажется ограниченным, хотя их количество со временем увеличивается.
Добавление к сплаву 7,5 мас.% Плутония-238 , который имеет значительно более высокую скорость распада, увеличивает скорость повреждения из-за старения в 16 раз, что способствует исследованиям старения плутония. Blue Gene суперкомпьютер помог с моделированием процессов старения плутония. [11]
Производство
Сплавы плутония можно производить, добавляя металл к расплавленному плутонию. Однако, если легирующий металл является достаточно восстанавливающим, плутоний можно добавлять в форме оксидов или галогенидов. Сплавы плутоний-галлий с δ-фазой и плутоний-алюминиевые сплавы производятся путем добавления фторида плутония (III) к расплавленному галлию или алюминию, что позволяет избежать непосредственного контакта с металлическим плутонием с высокой реакционной способностью. [12]
Переработка в МОКС-топливо
Для переработки излишков боеголовки ям во МХЕ топливо , большинство из галлия должно быть удалено , как высокое содержание может помешать твэлы оболочке (атаки галлия циркония [13] ) , а также с миграцией продуктов деления в топливных гранулах. В процессе ARIES ямки превращаются в оксид путем преобразования материала в гидрид плутония , затем, необязательно, в нитрид, а затем в оксид. Затем галлий в основном удаляют из смеси твердых оксидов путем нагревания при 1100 ° C в атмосфере 94% аргона и 6% водорода, что снижает содержание галлия с 1% до 0,02%. Дальнейшее разбавление оксида плутония во время производства МОКС-топлива приводит к тому, что содержание галлия становится незначительным. Также возможен мокрый способ удаления галлия с использованием ионного обмена . [14] Электрорафинирование - еще один способ разделения галлия и плутония. [15]
История развития
Во время Манхэттенского проекта максимальное количество атомов разбавителя для плутония, не влияющее на эффективность взрыва, было рассчитано равным 5 мол.%. Рассмотрены два стабилизирующих элемента: кремний и алюминий . Однако только алюминий давал удовлетворительные сплавы. Но склонность алюминия реагировать с α-частицами и испускать нейтроны ограничивает его максимальное содержание до 0,5 мол.%; следующий элемент из группы элементов бора , галлий, был испытан и признан удовлетворительным. [16] [17]
Рекомендации
- ^ а б «Драма плутония» . Nuclear Engineering International. 2005. Архивировано из оригинала на 2010-09-15 . Проверено 25 января 2010 .
- ^ "Итальянские жеребцы и плутоний" . Джеффри . Проверено 25 января 2010 .
- ^ «Оптическая пирометрия на подкритическом эксперименте Армандо» . Лос-Аламосская национальная лаборатория . Проверено 25 января 2010 .
- ^ «Плутоний (Pu)» . Centurychina.com. Архивировано из оригинала на 7 января 2010 года . Проверено 25 января 2010 .
- ^ «Ученые решают давние вопросы о плутонии» . инновации-отчет. 2006 . Проверено 25 января 2010 .
- ^ Хеккер, Зигфрид С. (2000). «Плутоний и его сплавы» (PDF) . Лос-Аламосская наука (26) . Проверено 25 января 2010 .
- ^ Дарби, Ричард. «Моделирование параметра решетки твердого раствора плутония и алюминия» (PDF) . Проверено 25 января 2010 .[ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Эдвардс, Роб (19 августа 1995). «Делящиеся отпечатки пальцев» . Новый ученый . Проверено 25 января 2010 .
- ^ Martz, Joseph C .; Шварц, Адам Дж. «Плутоний: механизмы старения и оценка срока службы оружейной ямы» . Общество минералов, металлов и материалов. Архивировано из оригинала на 2016-03-03 . Проверено 25 января 2010 .
- ^ Wolfer, WG; Oudot, B .; Баклет, Н. (2006). «Обратимое расширение стабилизированного галлием δ-плутония» (PDF) . Журнал ядерных материалов . 359 (3): 185–191. Bibcode : 2006JNuM..359..185W . DOI : 10.1016 / j.jnucmat.2006.08.020 .
- ^ "Плутоний в оружии США изящно стареет" . Обзоры науки и технологий. Архивировано из оригинала на 2013-02-17 . Проверено 25 января 2010 .
- ^ Муди, Кентон Джеймс; Hutcheon, Ian D .; Грант, Патрик М. (28 февраля 2005 г.). Ядерно-криминалистический анализ . CRC Press. ISBN 978-0-8493-1513-8.
- ^ "Взаимодействие галлия с циркалоевой оболочкой" (PDF) . Национальный ресурсный центр Амарилло по плутонию. Архивировано из оригинального (PDF) на 2012-03-02 . Проверено 25 января 2010 .
- ^ Toevs, Джеймс У .; Берд, Карл А. "Галлий в оружейном плутонии и производстве МОКС-топлива" . IEEE . Проверено 25 января 2010 .
- ^ «Способ разделения плутония и галлия анодным растворением твердого сплава плутоний-галлий» . frepatent . Проверено 25 января 2010 .
- ^ «Первое ядерное оружие: часто задаваемые вопросы о ядерном оружии» . Nuclearweaponarchive.org . Проверено 25 января 2010 .
- ^ «Доктор Смит едет в Лос-Аламос» (PDF) . РЕЗОНАНС. Июнь 2006 . Проверено 25 января 2010 .