Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. 3-е изд. - Синев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
Получение из руд и обработка тория имеют много общего с соответствующими процессами для титана и циркония, с которыми торий близок по химическим свойствам и температуре плавления. По пластичности и прочности торий мало отличается от циркония.
Плутоний. В 1939 г. Мак-Миллан, изучавший продукты деления ураиа, обнаружил неизвестный в природе радиоактивный тяжелый элемент с атомным номером 93. По традиции он назвал его по имени следующей за Ураном планеты Нептун нептунием (Np) *. В 1941 г. американские ученые (Сиборг, Мак-Миллан и др.) открыли новый, не встречающийся в природе, самый важный трансурановый элемент, названный плутонием (Pu) по имени планеты, расположенной в Солнечной системе вслед за Нептуном. В Периодической системе элементов Д. И. Менделеева в группе актиноидов вместе с goTh, 9iPa, 92U расположена большая группа искусственно получаемых трансурановых радиоактивных элементов (ТУЭ). Все они характеризуются а-распадом, спонтанно делятся с испусканием нейтронов (за исключением 241Pu): 93Np, 94Р11, esAm, eeCm, 97Bk1 98Cf, eeEs, iooFm, шіМа, 102N0, 103Lr, 104K.U. Из этих трансурановых элементов особую роль для ядерной энергетики играет плутоний.
* 237Np распадается с испусканием а-частицы с ^1/2=2^14-106 лет и Еа= =4,8 МэВ.
В настоящее время известно 14 радиоактивных изотопов плутония с массовым числом от 232 до 246 включительно. Все эти изотопы плутония возникают в реакторах в результате ядерных превращений при захвате нейтронов изотопами урана и- плутония. Наибольшее •практическое значение' имеют 239Pu (период полураспада ^./2=24400 лет), 240Pu (Гш=«6620'лет),'«241Ри (^1/2=14,4 лет)*, 242Pu (7^2=387 000 лет), возникающие из ядер 238U1 и 233Pu (7,/2=86,4 лет), получающийся-из 237Np1 который в свою очередь образуется из 236U. 238Pu имеет большое практическое значение как отличный изотопный источник энергии **. Кроме 241Pu, остальные радиоактивные изотопы плутония в основном спонтанно делятся с испусканием нейтронов. Поэтому за счет выделения энергии при а-распаде компактные изделия из плутония могут саморазогреваться.
При контактах (особенно в смесях) плутония с некоторыми легкими элементами (например, F1 Al, Li) под влиянием а-излучения возникает самопроизвольное нейтронное излучение (а, и-реакция). В гмеси изотопов плутония, содержащей 241Pu1 будет образовываться и накапливаться 241Am (а-распад, Т1/2= =436 лет). Как видно из табл. 6.1 и 6.2, сечения деления тепловыми нейтронами у 239Pu и 241Pu больше, чем у 235U.
Доля запаздывающих нейтронов при делении плутония меньше, чем при делении урана, и составляет для 239Pu 0,0021, 240Pu 0,0027, 241Pu 0,0058. Это учитывается при проектировании СУЗ реактора с плутониевыми загрузками.
Выход вторичных нейтронов при делении ядер плутония на 19 % выше, чем при делении 235U. Это создает преимущества при использовании 239Pu и 241Pu в качестве ядерного топлива и в реакторах на. тепловых нейтронах. Благоприятные ядерные свойства плутониевого топлива позволяют особенно эффективно применить его в реакторах-размножителях. Все изотопы плутония делятся быстрыми нейтронами.
Свойства плутония и его соединений. Чистый плутоний — иизкоплавкий, очень плотный металл серебристо-белого цвета, напоминающий железо или никель, весьмаТхимически активный и радиационно токсичный. По структуре и свойствам плутоний сильно отличается от урана и других металлов. Температура плавления 64O0C1 кипения 32350C Плотность твердого металлического а-плу-тония 19,816 г/см3 при 25 °С, жидкого (655 °С) 16,5 г/см3, теплота плавления 12 Дж/г, что в 30 раз ниже, чем алюминия, и в ~25 раз ниже, чем железа.
Металлический плутоний получают обычно восстановлением его галоидных солей (хлоридов и фторидов) кальцием в закрытых аппаратах или электролизом.
В твердом состоянии (до температуры плавления) плутоний претерпевает пять аллотропических превращений: он образует шесть твердых фаз с различной кристаллической структурой (a-, P-, у-, б-, ¦n-, е-фазы). Наибольшая устойчивость структуры у е-фазы (472—640°С), имеющей объемноцентрированную кубическую решетку. Фазы плутония имеют ярко выраженную анизотропию температурного расширения и других физических свойств (теплопроводность, теплоемкость и т. п.). Для б- и т)-фаз плутония (310—472СС) наблюдаются отрицательные значения температурного коэффициента линейного расширения.
* В-Распад; а-распад, 7^/2=5,8-105 лет.
** Применение 233Pu в качестве источника энергии ограничено присутствием в нем 236Pu, продукты распада которого имеют жесткое уизлучение. 236Pu образуется при облучении 237Np за счет (у, я)- и (я, 2и)-реакций (несколько сотых процента).
Плутоний имеет высокое электрическое сопротивление, во всех фазах парамагнитен. Он химически более активен, чем ураи, обладает большим сродством с кислородом, водородом и азотом, образует оксиды, гидриды, галогениды, сульфиды, нитриды и карбиды, окисляется на воздухе. В виде порошка плутоний пирофорен и легко загорается на воздухе, образуя аэрозоли оксида. Продуктами коррозии плутония в воде являются PuO2, Pu(OH)3 и PuH2. Для плутония характерны четыре положительные валентности: 3, 4, 5 и 6. В шестивалентном состоянии плутоний подобен шестивалентному урану, но менее устойчив.
