Кристаллическая решетка урана, его механические ядерно-физические и теплофизические свойства

Природный металлический уран – это смесь радиоактивных изотопов:

· ²³⁸U – 99,282%

· ²³⁵U – 0,712%

· ²³⁴U – 0,006%

Независимо от изотопного состава для обогащения структура металлического урана имеет три модификации: α,β и γ. Фаза αU кристаллизуется в орторомбическую систему, очень редкую для металлов, и является стабильной до 663°С.

рис1. Структура αU. рис2. Структура βU.

Решетку αU можно представить ещё как гофрированные слои атомов. Так как связь атомов в слоях (ковалентная) сильнее,чем связь между слоями,то с повышением температуры «гофры» сглаживаются и αU переходит в βU c тетрагональной (римитивной) струкурой,существующей в области 663-764° С.

Фаза γU,представляющая кубическую гранецентрированную структуру, стабильна от 764°С до точки плавления урана Т_пл=1130±1°С. Вследствие сложной структуры,αU характеризуется сильной анизотропией физических свойств. Особенно это относится к коэффициенту линейного расширения и модулю Юнга.

Табл1. Физические свойства урана.

Если теплофизические свойства урана определяются его кристаллической структурой, то механические свойства образца почти целиком определяются способом изготовления. Так, структура плавленого слитка неоднородна и зерна αU имеют некоторую преимущественную ориентацию (текстуру). ТВЭЛы из текстурированного урана подвержены размерной нестабильности при эксплуатации в реакторе. Медленно охлажденный из γ фазы уран имеет крупные зерна. При повышении скорости охлаждения урана из γ – фазы в α- -фазу уран закаливается. Зерна мельче, прочностные свойства повышаются.

Механические свойства урана очень чувствительны также к примесям.

Металлический уран химически активен и во многих отношения сравним с магнием. При повышенной температуре он реагирует с азотом. С водородом уран образует гидрид UH₃, который разлагается при 350°С.

Более устойчив уран в атмосфере СО₂,что позволило применить этот газ в качестве теплоносителя в газографитовых реакторах, где топливом служит природный металлический уран.

Уран взаимодействует с водой с образованием гидроксида U(OH)₄,из которого получается UO₂ c выделением водорода. В кипящей воде скорость коррозии достигает 2.7 мг/(см²ч). Водяной пар реагирует с ураном при температуре 150°С и выше, при этом скорость коррозии катастрофически растет с температурой и при 400°С достигает 210-230 г/(см²ч). Образующиеся водород и гидрид урана вызывают его распухание.