Бериллий — уникальный металл в том смысле, что из всех металлов имеет наименьшее значение сечения поглощения тепловых нейтронов (см. табл. 10.1). Это качество в сочетании с большим сечением рассеяния и высокой температурой плавления делает его замечательным конструкционным материалом. Он превосходен также как замедлитель и отражатель. По этим причинам бериллий или ВеО применяют в различных конструкциях таких реакторов, как MTR (материаловедческий испытательный реактор), ETR (технологический испытательный реактор), ATR (улучшенный испытательный реактор), S1TR (испытательный реактор на промежуточных нейтронах для подводных лодок), EBR-II (экспериментальный быстрый реактор) и др. Высокое значение отношения прочности к плотности бериллия, особенно при высоких температурах, в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью делает заманчивым предложение использовать его в реакторной и космической технике.
Среди легких металлов бериллий обладает наивысшей температурой плавления (Тпл = 1283-г 1290 °С), что важно для его применения при высоких рабочих температурах.
Некоторое применение бериллий как конструкционный, а также как добавочный материал находит в нейтронных источниках для пуска ядерных реакторов. Материалы этих источников (239Pu-9Be, 226Ra-9Be, 2I0Po—9Ве, ,24Sb-9Be) способны по реакциям типа (а, п) и (у, п) рождать нейтроны:
(10.1)
- . (10.2)
где 239Pu и 210Po являются источниками а-частиц, 226Ra - источником и а-, гамма-лучей, а 124 Sb - только гамма-лучей.
С другой стороны, Be и ВеО хрупки, дорогостоящи и токсичны, что плохо согласуется с такими общими требованиями к реакторным материалам, как подходящая механическая пластичность, технологичность производства и стоимость (см. 11.2).
Преимущества и недостатки бериллия как конструкционного материала, замедлителя и отражателя нейтронов ядерных реакторов приведены ниже.
Недостатки
- Низкая пластичность
- Токсичность
- Высокая стоимость
- Хрупкость
Преимущества
- Очень малое сечение поглощения тепловых нейтронов
- Большое сечение рассеяния тепловых нейтронов
- Высокая температура плавления
- Высокое отношение прочности к плотности
- Хорошая термическая стабильность, низкое давление паров
- Хорошая коррозионная стойкость
Преимущества и недостатки оксида бериллия ВеО аналогичны таковым для металлического Be, за исключением того, что температура плавления окиси намного выше — 2550 С.
10.3.1. Распространенность, извлечение из руд, производство и обработка бериллия. Промышленным сырьем для получения бериллия является берилл, т.е. бериллиево-алюминиевый силикат, содержащий приблизительно 40% Be (по массе).
Первым шагом к получению металлического бериллия из берилла является его экстракция из руды, заканчивающаяся получением чистых гидроокиси Ве(ОН)2 или окиси ВеО как исходных материалов для последующих операций.
Получение металлического бериллия основывается обычно на двух процессах [8, 9]:
- магнийтермическом восстановлении фторида BeF;
- электролитическом восстановлении хлорида ВеО.
И в том, и в другом случае металлический бериллий получается в виде хлопьев или крошки, которые могут содержать и примеси: AI, Fe, Си, Ni и др. Поэтому прежде всего необходимо очистить бериллий от примесей. Электролитический бериллий обычно загрязнен хлоридами, присутствие которых нежелательно из-за повышения сечения поглощения нейтронов, распадания при спекании и снижении стойкости Be на воздухе. Магнийтермический бериллий обычно загрязнен фторидами и магнием.
Трудность получения мелкозернистого литого бериллия обусловила разработку методов порошковой металлургии бериллия. Главное при этом — получение мелкозернистых изделий достаточной прочности и пластичности. На рис. 10.1 показана типичная зависимость плотности спеченного бериллия от давления горячего прессования в вакууме и аргоне. Чистый оксид ВеО ведет себя аналогичным образом [10].
- Физические, теплофизические и механические свойства бериллия. Ниже в дополнение к данным табл. 10.1 приведены некоторые физические и тепловые свойства бериллия.
-
Рис 10 1. Типичные зависимости реальной плотности р спеченного бериллия oi давления р горячего прессования в вакууме и аргоне Режим спекания и среда указаны на рисунке
Рис. 10.2. Зависимость прочности СТи пластичности ф горячепрессованною бериллия от температуры Т испытания
Теоретическая плотность бериллия при 25 °С составляет 1,8477 г-см-3. Экспериментальные значения плотности бериллия различного приготовления лежат в диапазоне от 1,81 до 1,86 г-см-3, причем верхние значения плотности получаются для бериллия с примесями ВеО или Ве2Oз (теоретическая плотность окиси ВеО 3,025 г-см-3) Кристаллическая решетка бериллия при температурах от комнатной до 1250 °С - гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Следствие этого — анизотропия некоторых свойств металла. Однако свойства изделия, полученные горячим прессованием и спеканием порошкового Be, являются приблизительно изотропными вследствие хаотичности в ориентации отдельных мелких кристаллитов. Следует подчеркнуть, что порошок бериллия токсичен и поэтому технологические процессы производства изделий из Be методами порошковой металлургии необходимо вести в специальной атмосфере.
Механические свойства образцов бериллия зависят от способа получения порошка, последующих операций и термообработки. Горячее прессование в вакууме оказывается эффективным с точки зрения обеспечения изотропии свойств изделий. Вакуумное литье и экструзия, напротив, усиливают анизотропию свойств, т.е. различие свойств материала в поперечном и продольном направлениях.
В табл. 10.2 сравниваются механические свойства бериллия, полученного горячим прессованием в вакууме, литьем после экструзии.
На рис. 10.2 представлены температурные зависимости прочностных свойств (по данным табл. 10.2) и относительного сужения горячепрессованного в вакууме бериллия. Отметим, что пределы прочности и текучести при растяжении, а также предел текучести при сжатии уменьшаются с ростом температуры.
Т а б л и ц а 10 2 Механические свойства бериллия в различных состояниях
Рис. 10.3. Температурные зависимости прочности различных металлов:
1 — экструдированный Be; 2 — отожженная нержавеющая сталь; 3 — титан; 4 — горячепрессованный Be; 5 — сплав САП; 6 — магний
Рис. 10.4. Зависимости длительной прочности (Т100 от температуры для горяче-прессованного в вакууме бериллия с различным содержанием по массе ВеО
На рис. 10.3 приведены для сравнения температурные зависимости прочности экструдированного и горячепрессованного бериллия, нержавеющей стали, титана, магния и алюминия марки САП, а на рис. 10.4 представлены температурные зависимости напряжения разрушения на базе 100-часовых испытаний на длительную прочность горячепрессованного в вакууме бериллия с различным содержанием окиси ВеО [9].
Оксид бериллия ВеО служит сырьем для получения Be, но вместе с тем является конструкционным, отражающим и замедляющим нейтроны материалом, применяемым в ядерных реакторах для работы при очень высокой температуре [10-12]. Помимо хороших ядерных свойств (благодаря Be), оксид ВеО обладает и другими ценными качествами: очень высокой температурой плавления (2550 °С); низким давлением паров в сухой атмосфере; исключительно высоким сопротивлением тепловому удару.
Ниже приведены некоторые ядерные, физические, теплофизические и механические свойства оксида бериллия ВеО.
Макроскопическое сечение поглощения тепловых нейтронов, см2/см3 0,0074
Плотность, г/см3:
теоретическая............................................................... 3,025
фактическая................................................................... 2,860
Температура плавления, °С.................................. 2550
Удельная теплоемкость при 20 °С, Дж/(г °С) 1,04
Теплопроводность, Дж/ (см-с-°С):
20 С .............................................................................. 2,50
100°С............................................................................. 2,09
600 °С............................................................................ 0,45
1200 °С.......................................................................... 0,16
Линейный коэффициент термического расширения в диапазоне 0-1000 °С. 10"6/°С 8,5
Предел прочности при растяжении, МПа:
20 °С............................................................................ 98,0
1000 °С........................................................................ 6,9
Предел прочности при сжатии при 20 °С, МПа 780
Модуль упругости при 20 °С, МПа................... 274 400
Коэффициент Пуасоона...................................... 0,34
Отсюда видно (см. также табл. 10.2), что теплопроводность Be и ВеО снижается с ростом температуры.
