Материалы ядерных энергетических установок - Плутоний

ГЛАВА 8
ПЛУТОНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Важная роль в быстрых энергетических реакторах отводится плутониевому ядерному топливу. Образование Pu при захвате нейтрона ядром ²³⁸U компенсирует потерю реактивности при выгорании первичного топлива в легководных LWR и тяжеловодных HWR энергетических реакторах. Плутоний, выделенный при переработке облученного топлива и разбавленный природным или отвальным ураном (отвал газодиффузионных заводов), можно использовать как первичное топливо быстрых энергетических реакторов. Высокий выход вторичных нейтронов (в среднем три нейтрона на одно деление) позволяет производить в LMFBR больше ядерного горючего, чем его потребляется.
На стадии экспериментальной разработки перспективного металлического и керамического плутониевого топливного материала для LMFBR удалось добиться значительных успехов. Ожидается, что перспективное топливо позволит получить в LMBFR коэффициент воспроизводства не менее 1,35 (избыточный коэффициент воспроизводства 0,35 и более), период удвоения 7—12 лет и максимальную глубину выгорания до 250 МВт сут/кг (U, Pu) [1].

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ В ПРИРОДЕ И ПОЛУЧЕНИЕ

Хотя нуклид ²³⁹Pu и содержится в урановой руде (урановой смолке или ураните), его концентрация в руде не превышает 10-¹¹. Поэтому плутоний следует рассматривать как искусственный нуклид, получаемый при облучении нейтронами в ядерном реакторе природного или обедненного урана. В результате реакций, происходящих в реакторах- наработчиках и энергетических реакторах, образуются высшие нуклиды плутония:

(8.1)
(8.2)
Плутоний, извлеченный из тепловыделяющих элементов, подверженных кратковременному облучению, почти полностью состоит из нуклида ²³⁹Pu. При более длительном облучении этот нуклид поглощает нейтроны и постепенно превращается в более или менее стабильные нуклиды с массовыми числами до 246.

СВОЙСТВА ПЛУТОНИЯ

8.3.1. Ядерно-физические свойства. В табл. 8.1 [2, 3] представлены наиболее важные ядерно-физические характеристики изотопов плутония и других нуклидов, играющих важную роль в ядерных реакторах деления.

Рис 8.1. Термическое линейное расширение при фазовых превращениях высокочистого плутония
Рис. 8.2. Температурная зависимость удельной теплоемкости Ср

В табл. 8.1 оа и Of — поперечные сечения поглощения и деления, выраженные в барнах, v(E) — среднее число нейтронов, возникающих при одном акте деления, v(E) — среднее число нейтронов, приходящихся на одно сгоревшее ядро урана или плутония. Поперечные сечения оа, Of и ас = аа - Of и ядерные параметры v и n являются функциями энергии нейтрона Е и поэтому зависят от нейтронного спектра, характерного для тепловых и быстрых реакторов.
Для сравнения в табл. 8.1 приведены значения оа, о*, v и т? для тепловых и быстрых нейтронов для нуклидов 23 *U и 238и. Видно, что значения оа, Of, v ит? для ²³⁹Pu в быстром реакторе предпочтительнее аналогичных характеристик для ²³⁵U в тепловом реакторе. По этой причине плутоний рассматривают как ядерное горючее для расширенного воспроизводства в быстрых реакторах.

1. Теплофизические свойства. В табл. 8.2 [4-6] приведены данные о кристаллической структуре, фазовых превращениях, плотности, теплоемкости, коэффициенте термического расширения плутония. Из-за кинетики фазовых превращений шести аллотропических модификаций чистого плутония температура перехода заметно зависит от скорости нагревания образцов. На рис. 8.1 изображена температурная зависимость линейного расширения (или удлинения) чистого плутония при фазовых превращениях. Из шести аллотропических модификаций только 5-фаза плутония относительно стабильна или метастабильна. Температурная зависимость удельной теплоемкости при постоянном давлении Ср для чистого плутония в области низких температур представлена на рис. 8.2. Зависимость средней теплопроводности X от абсолютной температуры образцов плутония высокой чистоты приведена на рис. 8.3. В соответствии с общей тенденцией для металлов удельная теплоемкость и теплопроводность чистого плутония растет с температурой.
2. Механические свойства. С механической и технологической точки зрения плутоний является относительно хрупким материалом. Егр механические свойства сильно зависят от содержания примесей, эффективной плотности, температуры, дефектов кристаллической структуры, анизотропии и фазовых превращений. Для выбранных образцов механические свойства чистого плутония при различных условиях приведены в табл. 8.3.

Таблица 8.1. Некоторые важные ядерные свойства нуклидов плутония

Таблица 8.2. Физические и теплофизические свойства плутония

Здесь представлены плотность, температура, содержание примесей в различных образцах, оказывающих в различной степени влияние на предел прочности, предел текучести и модуль упругости плутония. На рис. 8.4 изображена типичная диаграмма растяжения для выдержанного при низкой температуре плутониевого образца при комнатной температуре и показано, как графически определить предел текучести в образце металлического плутония при остаточной деформации 0,02% (см. также табл. 8.3).

Анализ физических, ядерных и термомеханических свойств аллотропного плутония, который меняет фазу 6 раз (от а, 0, 7, 6, г  до е) в узком интервале температур (от комнатной температуры до точки плавления 640 °С), показывает, что плутоний в металлической форме нельзя использовать в чистом виде как топливо для быстрых реакторов.
Таблица 8.3. Некоторые механические свойства плутония

Рис.  8 3. Температурная зависимость теплопроводности X высокочистого плутония
Рис. 8.4. Типичная диаграмма растяжения cr-фазного плутония при комнатной температуре (штриховая кривая соответствует остаточной деформации 0,02% для определения предела текучести)

Кроме того, плутоний представляет собой сильно концентрированный делящийся материал, который должен быть разбавлен сырьевыми нуклидами перед его применением в бридерах и энергетических реакторах. По этой причине в настоящее время изучаются, испытываются и облучаются в ядерных реакторах сплавы металлического плутония и его керамические соединения [7— 10].