Металлургия плутония

При производстве оружейного плутония, из технологического раствора нитрата плутония получают металлический плутоний, осаждая подходящее соединение, например PuF3, который затем восстанавливают до металла, оксалаты плутония или перекись плутония, которые перед восстановлением переводятся сухим методом в PuF4. Выбор процесса зависит от степени чистоты исходного раствора, лёгкости извлечения из него плутония, коэффициентов очистки и от применяемого оборудования.

Металлический плутоний может быть получен пирохимическим восстановлением любого галогенида плутония щёлочным или щёлочноземельным металлом. Часто PuF4 восстанавливают кальцием и йодом. Высокую очистку достигают электролитическим рафинированием металла. Это делается в ячейках для электролиза при 700° с электролитом из натрия, калия и хлорида плутония, вольфрамовым или танталовым катодом. Таким образом получают 99,99% плутоний. Возможно прямое пирохимическоем восстановление и электрорафинирование оксида плутония. Преимущество этих методов — меньшее количество утилизируемых отходов производства. Обработка расплавленного плутония и литьё плутония осуществляется из оборудования, сделанного из слегка окисленного тантала.

Лучшей реакцией является восстановление тетрафторида PuF4 кальцием:

Восстановление PuF4 проводят при нагревании в индукционной печи или в печи сопротивления реактора, выложенного огнеупорным материалом и выдерживающего давление 28 атм. при температурах до 16000. В процессе восстановления в бомбе достигается выход 99%. Обычно получают плутоний со степенью чистоты 99,87 вес.%.

К металлическому плутонию предъявляются высокие требования по чистоте в отношении элементов, изотопы которых обладают большим сечением захвата нейтронов. Некоторые из них (Nd, Sm, Eu, Gd, Ru) являются продуктами деления. Полученный из галогенидов металлический плутоний содержит 1% примесей. Для очистки его сплавляют с ZnCla (примеси переходят в образующийся цинк), затем соль отделяют от металлического цинка и восстанавливают кальцием. Отделение плутония от цинка и кальция проводят дистилляцией. Одним из приёмов дополнительной очистки является метод зонной плавки. Существуют методы получения чистого плутония электролизом расплавов хлоридов.

Во всех описанных выше методах получается порошкообразный металл, из которого плавлением формируют слитки.

При комнатной температуре плутоний имеет кристаллическую структуру («альфа фаза»), в которой плутоний имеет свою максимальную плотность — 19 84 г/смз при 20°. Атомы в a-фазе связаны ковалентной связью, поэтому физические свойства ближе к минералам, чем к металлам. Это твёрдый, хрупкий и ломающийся в определенном направлении материал. a-фаза не поддаётся обработке обычными для металлов технологиями производства. В 5-фазе (плотность 15,9), плутоний достаточно ковкий и вязкий. Таким он бывает и в у-фазе. В 6-фазе плутоний имеет нормальные металлические свойства, включая превосходную ковкость. 6-Фаза имеет прочность и пластичность сходную с алюминием, делая простой обработку и отливкуч Хотя 6-фаза и проявляет аномальное свойство сжиматься при нагревании, этот отрицательный коэффициент расширения невелик. Плутоний в 6-фазе неустойчив — стремится осесть в плотную a-фазу под очень небольшим давлением, увеличив на 25% свою плотность. Увеличение на 25% плотности плутония (до a-фазы) требует давления 450 килобар. При давлениях свыше 30 килобар плутоний существует только в а- и р-фазах. Это свойство перехода дельта-»альфа фазы (и увеличение его плотности на 25%) используется в имплозионных схемах оружия.

Плутоний можно стабилизировать в 6-фазе при комнатной температуре путём сплавления его с Ga, Al, In и Аш в концентрации нескольких молярных процентов. Даже стабилизированная, 6-фаза продолжает оставаться легко сжимаемой давлением в несколько килобар. Для оружейного применения плутоний стабилизируется в 6-фазе сплавлением с з мол% (о,9% по весу) Ga. Этот сплав стабилен при температурах от -75 до 475°Стабилизация предотвращает изменения объёма плутония при колебаниях температуры после изготовления, что может повредить прецизионно сделанные компоненты устройства. Сплав имеет почти нулевой коэффициент теплового расширения. Литьё его облегчено из-за наличия единственного эпсилон-»дельта фазового перехода во время охлаждения. Наконец, стабилизация снижает восприимчивость плутония к коррозии. Недостаток галлия - трудность его отделения от плутония при переработке оружейных компонентов в топливо для реакторов.

Плавка и отливка плутония осложняются высокой реакционной способностью расплавленного металла. Чтобы избежать реакции с воздухом, плутоний и его сплавы плавят в высоковакуумных печах. Ввиду сильной восстановительной способности плутония в качестве материала контейнеров для расплавленного металла пригодны только более устойчивые оксиды, карбиды, нитриды, бориды и силициды. Обычно тигли для расплавленного плутония, нагреваемого при температурах не выше 1200°, из- готавляют из оксидов магния или кальция. Для более высоких температур (выше 1500°) используются тигли из диоксида тория.

Поскольку' плутоний химически реактивен, то изделия из него покрывают тонким слоем инертного металла (серебро, никель, золото. Плутоний идёт на изготовление питов - недемонтируемых таблеток ядерного материала, герметично запакованных в оболочку из тугоплавкого металла. Из этих питов и изготовляется ядерный заряд. В некоторых видах оружия пит состоит из 235U или плутония (обогащение по 239Ри более 90%).

Плутоний особенно восприимчив к влажности: во влажном воздухе коррозия питов усиливается в 200 раз. Благодаря каталитическому эффекту', водород увеличивает скорость коррозии в 13 раз. Водород возникает при взаимодействии влаги с металлом или с окружающими пита органическими материалами (например, пластмассами). Окисление увеличивает объём плутония и приводит к деформации пита или к разрыву контейнера, в котором он хранится. Загрязнение пита дейтерием или тритием (другие компоненты заряда) вызывает коррозию, сопровождающуюся появлением на поверхности пита пирофорного гидрида плутония, который сильно ускоряет коррозию атмосферным кислородом. Радиоактивный распад плутония вызывает нагрев пита (иногда до 150°), поэтому его необходимо постоянно охлаждать. Все эти факторы создают проблемы при хранении питов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >