Оценка размерных и временных характеристик импульсно индуцированного роста твердых частиц актиноидов

Э. Э. ЛИН

Институт физики взрыва РФЯЦ – ВНИИЭФ, Саров

ОЦЕНКА РАЗМЕРНЫХ И ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ИМПУЛЬСНО ИНДУЦИРОВАННОГО РОСТА

ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ АКТИНОИДОВ

Предлагается аналитическое описание импульсно индуцированного роста наноструктурированных частиц легких актиноидов.

В данной работе делается попытка описания известных экспериментов [1,2] по взрывному воздействию на образцы плутония. Для легких актиноидов с сильным сближением атомов (от Pa до Am [3]) в [4] было получено следующее выражение для скорости роста среднего размера наноструктурированных частиц (в частности, плутония) при высоких температурах kBT >> (w - характеристическая частота колебаний атомов в кристаллической решетке):

(1)

Здесь N – число атомов, охваченных фононными возбуждениями, a - геометрический фактор (например, для куба a = 1), r = Amun- плотность, A – атомный вес, mu – атомная единица массы, n – концентрация атомов.

Рассматриваются два типа импульсных процессов: 1) режим «касательного» взаимодействия (трения) частиц; 2) режим ударного воздействия. При трении частиц друг о друга (сдвиговый механизм) параметр N примем равным числу возбужденных атомов в прилегающих приповерхностных слоях с толщиной, равной характерному размеру кристаллической ячейки ac: , где Nc – число атомов в ячейке. Тогда из уравнения (1) получаем

(2)

Формула (2) показывает, что сдвиговые воздействия, вызывающие трение частиц (зерен) друг о друга, за времена 10-6 ¸ 10-5 с могут привести к образованию областей рекристаллизации d-фазы плутония при температурах T = 500¸900 K и a-фазы плутония при T = 300-500 K со средними размерами <a> » 6×10-6 ¸ 3×10-5 м. Полученные оценки по порядку величины соответствуют экспериментальным данным [1] по взрывному воздействию на образец из d-Pu, легированного галлием. В областях образца, где не происходило плавления материала, размеры рекристаллизованных зерен d-Pu в полосах адиабатического сдвига лежат в диапазоне от »3 до 50-60 мкм, а размеры рекристаллизованных зерен a-Pu лежат в диапазоне от »4-5 до 10-15 мкм.

При однородном ударном воздействии на исходный образец возбужденными оказываются все атомы двух взаимодействующих частиц: . Тогда из уравнения (1) получаем

. (3)

Средние размеры частиц различных кристаллических фаз Pu, которые могут случайно образоваться при температурах T = 500¸900 K за времена ударных воздействий t = 10-9 ¸ 10-6 c оцениваются как <a>sa ~ 10-7 ¸ 10-4 м. В опытах [2] по импульсному нагружению образца d-плутония при длительности действия порядка 10-7 с размеры областей d ® a ® d - фазового превращения в обедненных галлием участках зерен, примыкающих к их границам, составляют 5-15 мкм (после обработки слабыми ударными волнами). Оценка по формуле (3) при T = 300-500 K дает величины » 15-20 мкм.

Установленное соответствие расчетных и экспериментальных данных свидетельствует в пользу применимости предложенного в [4] феноменологического подхода для описания поведения кристаллических фаз легких актиноидов при интенсивных внешних воздействиях.

Список литературы

1.  , , и др. // Физика металлов и металловедение. 1996. Т. 81. Вып. 6. С. 139-157.

2.  , , // Химическая физика. 1995. т. 14. № 5. С. 62-68.

3.  // Плутоний. Фундаментальные проблемы. В двух томах / Пер. с англ. под ред. и . Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003 г. С. 292-337.

4.  // Сборник научных трудов «Научная сессия МИФИ-2007». Москва, 2007. Т. 9. С.162-163.