Technika, 1960 (4. évfolyam, 1-12. szám)
1960-01-01 / 1. szám
Előző számainkban a legújabb szerkezeti fémek közül sorra vettük a tantált, a cirkont, a titánt, a berilliumot, a kadmiumot, a molibdént és a hafniumot. Alábbi cikkünkben az urán és a tórium legfontosabb jellemzőit ismertetjük. AZ URÁN Bár Martin Heinrich Klaproth az uránt már 170 éve (1789) felfedezte, nagyobb mennyiségben csak a maghasadás és a hasadási láncreakció felfedezése és az első atomreaktor megépítése óta — tehát mintegy 1940-től kezdve — állítják elő és alkalmazzák, elsősorban atommagreaktorok, üzemanyagaként. Hosszú ideig az urán legelemibb tulajdonságait sem ismerték pontosan, kezdetben azért, mert Klaproth tulajdonképpen uránoxidot talált és vizsgált, másrészt még sok évvel azunán tényleges azonosítása (stb. 1870) után sem sikerült *' kiengető tisztaságú fém-uránt készíteni. 2. ábra: Az alfa-fázis rácsszerkezete A földkéreg U-tartalma mintegy 0,0004 százalékra becsülhető s a tengerek vize is mintegy 10-5—10 ° százalékban I. táblázat: Néhány fontosabb U-érc és U-tartalmuk (%) Uránszurokérc max. 60 Brannerit max. 30 Gilpinit 50—60 Zippeit 30—60 Schroeckingerit 25 Betgilt 20 tartalmaz uránt. Több száz U- tartalmú ércet , ismerünk, de ezek közül csak néhány olyan dús érc van, amelynek az ipari feldolgozása ma gazdaságosnak tekinthető. Mivel az U legtöbb ércében sok más elemmel alkotott vegyületekben fordul elő, az ércek feldolgozása igen hoszszadalmas és bonyolult folyamat. A fém-urán gyártására számos eljárást dolgoztak ki. A legfontosabb és a leggyakoribb módszer az ércelőkészítés során, nyert UF., magnéziummal való, redukálása. (Ma már az ércelőkészítés végcélja a legtöbb esetben az urántetrafluorid.) Az UF4- és a magnézium-port dolomit-,hé- ülésű acél redukáló edénybe zárják (bomba) s azt 800—641) C°-ra hevítve, az ezen a hőmérsékleten lezajló UF4 + 2Mg U + 2MgF2 exoterm reakció során az urán különválik s leülepszik az edénynek az alján. Tekintet nélkül a gyártás módjára, a nyers UT-tuskókat minden esetben vákuumban újra meg kell olvasztani: a szenynyezők az uránolvadék felszínére igyekeznek jutni, s lefölözéssel eltávolíthatók. Az uránnak három izotópja fordul elő a természetben s az ún. természetes urán e három izotóp keveréke. Mindhárom izotóp radioaktív. II. táblázat: Az urán természetes izotópjai Az U—235-ös izotópot kitünteti a többiek közül az a tulajdonsága, hogy termikus neutronokkal hasítható s még a természetes izotóparányú U-ban is képes láncreakciót fenntartani. Szokás kedvezőbb reaktor-konstrukció kialakítása (és fegyvergyártás) céljából az uránt 235-ös izotópjában feldúsítani, ez azonban nagyon bonyolult és költséges eljárás. A továbbiakban a természetes izotóparányú urán fémes tulajdonságait igyekszünk röviden áttekinteni. Az urán olvadáspontja jó megközelítéssel 1130 C°-nak vehető. Az olvadáspont alatt a hőmérséklettől függően az U három allotrop módosulatban létezhet. A legpontosabb átalakulási hőmérsékleteknek Baumrucker és Chiswick adatait tekinthetjük, szerintük:: Ac1 = 665,6 Ac2 = 771,7 Ar = 656,7 Ar2 5= 766,5,.Az alfa-urán kristályszerkezetét a 2. ábra mutatja, avalószínű rácsméretek feltüntetésével. Egy rácselem négy atomot tartalmaz. A bétaurán egy rácselemében harminc atom foglal helyet. A rácsszerkezet réteges, a nagynépességű fő sík rétegeket törtsíkú kisnépességű rétegek kötik össze benne. Az egyes rétegek vázlatát a 3. ábrán láthatjuk. A béta-fázisban az alfa-fázis szerkezetének maradványai felismerhetők. A gamma-urán rácsszerkezete térközepes-köbös, rácsállandója (szobahőmérsékleten) 3,474 A.Az 1/ fizikai tulajdonságai közül külön ki kell emelnünk rendkívül szeszélyes hőtágulását. A rácsszerkezet ismeretében nem meglepő az alfa- és a béta-módosulat erősen anizotróp hőtágulása. Ezeknek a módosulatoknak a lineáris hőtágulását polikrisztallin próbatesteken nem is lehet mérni, csak az elemi rácsok tágulásának röntgen—diffrakciós mérési adatai adnak róla valós felvilágosítást, az alfa és a béta-urán hőtágulási együtthatója ugyanis a különlátható, hogy míg a [100] és a [001] irányokban — bár nem egyformán , de tágulnak, addig a [010] irányban az alfa-urán elemi rácsai zsugorodnak a hőmérséklet növekedésével. Míg az alfa-módosulat hőtágulási görbéi matematikai képlettel pontosan nem írhatók le, a béta- és a gamma-módosulat hőtágulása elég szoros lineáris összefüggést mutat a hőmérséklettel. A hőtágulás alakulása a fázishatárokon való átmenetkor (az átkristályosodás hatása) előre nemtározható meg, az esetek többségében az alp átmenetkor kismértékű zsugorodás lép fel. Az alfa-urán e jellegzetes hőtágulási viselkedése felelős a termikus duzzadásnak (thermal growth) nevezett jelenségért. Ha ugyanis egy hengeres alakú alfa-uránból készült próbatestet ismételten felhevítünk és lehűtünk, s a hevítési felső hőmérséklet 250 —300 C° fölött van, a minta eredeti hosszának sokszorosára nő (kellő számú hevítés és lehűtés esetén), alakját is elveszíti, deformálódik, s felületi minősége is leromlik, érdes, repedezett lesz (5. ábra). Mikrostruktúrája is megváltozik, porózussá válik. E deformáció mértéke és sebessége függ az ismételt hevítés alsó és felső hőmérsékleti határától, a hevítés és a lehűlés sebességétől és a hőntartás időtartamától. Ha az ismételt hevítést és lehűlést az app átalakulási hőmérsékleten keresztül végezzük, kis tömegű próbatesteknél egyáltalán nem észlelhető duzzadás, de a nagyobb tömegű próbatestek térfogata jelentősen megnő. Ez azonban már lényegében más jelenség. A minta belseje ugyanis még hosszú ideig megtartja béta-struktúráját, amikor a külső részei már rég alfa-szerkezetűek, nagy feszültségek lépnek fel az anyagon belül, s ezzel együtt térfogat-növekedés következik be. Az urán rácsszerkezetének határozott anizotrópiájával magyarázható az is, hogy az alfa-módosulatnak mind hőtágulását, mind termikus duzzadását jelentősen befolyásolja az anyag előélete, a szenynyeződések, a gyártás módja, a megmunkálási eljárások, s különösképpen a megmunkálás során kialakuló szerkezeti orientációk, textúrák (pl. hengerlési textúra stb.). Az urán egyik legfontosabb fizikai tulajdonsága kis hővezető képessége, hiszen mint reaktor-üzemanyagtól meg kell követelnünk tőle, hogy a fűtőelem belsejéből a hőt a hűtőközeghez vezesse. Sok esetben a reaktor teljesítményét éppen a fűtőelem anyagának hővezetése korlátozza. Az urán hővezetési tényezője eléggé kedvezőtlen, kisebb mint pl. a rézé és több más gyakorlati fémé, szobahőmérsékleten mintegy tizede a vasénak. Tájékoztató adatok a 7. ábrából nyerhetők. Az urán szilárdsági tulajdonságai nehezen foglalhatók össze, egyrészt, mert a fellelhető adatok eléggé bizonytalanok, másrészt mert ezek a tulajdonságok igen sok, részben az anyag, előéletéből származó tényezőtől erősen függenek. Két tulajdonságot kell külön kiemelnünk: 1. az urán arányossági határa rendkívül alacsony és elmosódott; 2. valamennyi szilárdsági jellemzője a hőmérséklet növekedésével rohamosan csökken és 300 -400 C° hőmérsékleten a 0°-hoz tartozó értéknek általában csak mintegy 20 százalékát éri el (8. ábra). Mivel az atomreaktorban az uránnak más fémekkel való érintkezése elkerülhetetlen, s az urán számos fémbe (pl. az alumíniumba) készségesen diffundál, magasabb üzemi hőmérsékletű rendszereihez különösképpen nehéz a megfelelő tokanyag megválasztása, mert a fűtőelem és a tok között bensőséges kötés kívánatos. Hátrányos tulajdonság még az is, hogy a tiszta urán kémiailag igen aktív, s ezüstfehér színű fémes fényű frissen vágott felülete minden atmoszférában percek alatt elváltozik. Az urán kedvezőtlen termikus és szilárdsági tulajdonságai vezettek oda, hogy ma már egyre inkább az oxiajaiból (U02, U30g) porkohászati, fémkerámiás úton készült fűtőelemeket alkalmaznak atomreaktorok táplálására. A méretstabilitás, a kedvezőbb szilárdsági tulajdonságok elérése és a kémiai aktivitás csökkentése céljából jelentős erőfeszítések történtek az urán ötvözésére. Felvették csaknem minden lehetséges (részben nem fémes) ötvözőkkel alkotott két- és háromalkotós rendszereinek egyensúlyi diagrammjait. Ezek közös jellemzője, hogy csaknem mind korlátozott oldhatóságú rendszer, bonyolult, s számos közbenső fázist tartalmaz. Bár ötvözéssel (pl. kis mennyiségű cirkon, alumínium hozzáadásával) az urán szilárdsági tulajdonságai, korrózióálló képiessége és bizonyos fokig éretstabilitása is javítható, egyelőre azonban az oxidok (oxidkerámiák) az ötvözetek6. ábra: 340-szeri ismételt hevítés és lehűtés hatása az alfa-uránra. A kezelés az alfa-béta fázishatáron történt. A jobboldali ábrasor az esztergált, sima felületű eredeti darabokat mutatja A tórium metallurgiája szintén az atomenergia-programnak köszönheti fejlődését. A tórium atommagja (Th—232) ugyanis egy neutron befogásával (n, y) reakció során Pa— Az U—233 felezési ideje aránylag hosszú, az ,V—235- höz hasonlóan hasítható s így magreaktorok üzemanyagául szolgálhat. Mivel az atomreaktorok neutronháztartása ’■ általában elég bőséges, a működő reaktorokba tóriumot helyezve az energiatermelés során melléktermékként újabb energiahordozó (U—233) állítható elő. Bár a reakció szempontjából lényegileg mindegy, hogy milyen kémiai alakjában helyezzük be a tóriumot a reaktorba, bizonyos szempontok megkívánják a lehetőleg minél tisztább fémes tórium alkalmazását. A tórium jelentős mennyiségben fordul elő a földkéregben, kb. 3—5-ször annyi van, mint urán. Nagyon sok érce ismeretes, de csak néhány olyan van, amelyik 1 százaléknál nagyobb mennyiségben tartalmaz tóriumot, s igen kevés a gazdag lelőhely. Egy etnél kielégítőbb fűtőelemanyagnak bizonyulnak. Számos esetben azonban elkerülhetetlen a fém-urán fűtőelemek alkalmazása (pl. plutóniumtermelő reaktorokban), s a fém-urán relatív olcsósága kívánatossá teszi az energiatermelő reaktorokban ennek az alkalmazását. Ezért számos — bár nem mindenben kielégítő és súlyos korlátozásokat rejtő — eljárást dolgoztak ki, elsősorban a méretstabilitás biztosítására. A legfontosabb ilyen módszerek: 1. a fűtőelem célszerű geometriai kialakítása; 2. a mikrostruktúra maximális finomítása és az orientációk teljes megszüntetése, hőkezelés és porkohászati gyártás útján. Ezek a módszerek azonban csak adott hőmérséklethatárok 7. ábra: Az urán hővezetőképessége a hőmérséklet függvényében alatt válnak be és a meghibásodás, az üzemzavar veszélyét rejtik magukban. Az urán öntését nagy kémiai aktivitása miatt vákuumban kell végezni, olvasztásához berilliumoxid vagy grafittégely alkalmazható, s az öntőforma anyaga is grafit, esetleg berilliumoxid lehet (ez utóbbi sokkal drágább). Az urán melegen és hidegen is alakítható, s az alakítás technológiáját az anyag állapota (hőmérséklete) szabja meg. A béta-fázisban — 660— 670 C°-on — levő anyag alakítási erőszükséglete általában 2—3-szor akkora, mint 650 C° hőmérsékleten (az alfa-fázis felső határa közelében). Az anyag rúd-, cső- és huzalhú233-má alakult át. Ennek a magnak a felezési ideje 27 nap, s ezalatt a /-emisszió során U—233-má, a természetben nem található uránizotóppá alakul át len gazdaságosan feldolgozható érce a monazithomok. A tóriumot tiszta fémes állapotban nehéz előállítani, mert olvadáspontja nagyon magas (1690 C°) és a gázokkal, valamint a tűzálló anyagokkal szemben igen aktív. Tiszta állapotban ezüstfehér színű, lágy és képlékeny. A fémes tórium gyártására számos eljárás alkalmas: oxidjainak és halogenidjainak alkáli és alkáli-földfémekkel való redukálása, a tóriumjodid termikus elbontása és a tóriumvegyületek elektrolízise. Mivel a gyártási eljárások egy része a tóriumot poralakban adja, a Th porkohászata nagyon jelentős és fejlett. A redukciós eljárásokból tóriumszivacsot kapnak, amit át kell ömleszteni. A tórium kristályszerkezete lapközepes köbös (normál hőmérsékleten), s 1400 C° körül térközepes köbösre alakul át, zással, rúdsajtolással, hengerléssel, kovácsolással és sajtolással eléggé jól alakítható. A rúdsajtolás (extrudálás) jobb fizikai tulajdonságokat ad, mint az öntés, de jelentős szerszámkopással kell számolni. Hideg hengerléssel kitűnő minőségű uránfólia gyártható. A hengerlésnél szúrásonként 10—15 százaléknál nagyobb fogyást nem ajánlatos választani. Az anyag az egyengetést hidegen is jól bírja. Forgácsolással az urán normál szerszámgépeken viszonylag könnyen megmunkálható. Esztergáláshoz keményfémsapkás kések szükségesek. Érdekes, hogy az urán esztergálásakor mély fogás és nagy előtolás esetén a kések éltartama jóval nagyobb, mint kis fogás és lassú előtolás esetében. Nem feltétlenül szükséges kenni, de az olajféeezzel együtt a rácsállandó 5,08 A-ról 4,11 A-ra csökken. Mivel mindkét allotrop módosulata köbös rácsszerkezetű, a Th nem mutat olyan erős anizotrópiát mint az U, s az alakítás során nem keletkeznek benne olyan határozott textúrák. Szilárdsági tulajdonságai sem függnek oly erősen az anyag előéletétől. A megmunkálási technológiák csak kevéssé befolyásolják szilárdsági jellemzőit, sokkal inkább függnek a Th tisztaságától, a jelenlevő szennyezőktől és a hőmérséklettől (1. és 2. ábra). Az uránhoz hasonlóan kémiailag a tórium is nagyon aktív, magasabb hőmérsékleten a gázokkal (nitrogén, hidrogén) gyors kölcsönhatásba lép, a savak legtöbbjében oldódik és a hűtőközegekkel (pl. vízzel) szemben korrózióálló képessége is nagyon gyenge. Kedvezőtlen szilárdsági és korróziós tulajdonságai ösztönözték az ötvözésre irányuló kutató munkát. Eddig mintegy ötven két- és háromalkotós ötvözetrendszerének egyensúlyi diagrammját vették fel meglehetős pontossággal. A szén és az indium kivételével kis mennyiségben (5 százalék alatt) az ötvözök hatástalanok. A fémek szilárdoldhatósága a Th-ban igen gyenge (7—8 százalék alatt) és a tórium igen erős tendenciát mutat fémes vegyületek alkotására, ami magfizikai szempontból általában kedvezőtlen. ■ A tórium legjobban a közönséges indukciós fűtésű vákuum-kemencékben olvasztható, de megfelelnek az ívkemencék is. Az olvasztó tégely és az öntőforma anyaga általában berilliumoxid vagy cirkonoxid; minden más anyagból — a grafitból is — nagy mennyiségű szennyezést vesz fel. Melegen a szokásos technológiákkal jól alakítható, igen tág hőmérsékleti határok között (általában 760—870 C° között), a repedezés veszélye nélkül. A nagy tisztaságú tórium hidegen is jól alakítható, pl. nagy — 60—70 százalékos — fogyással lehet hidegen hengerelni, közbenső lágyítás nélkül. Bizonyos szennyezők azonban már 2—3 atomszázalékban alakíthatatlanná teszik 700 C° alatt. A tórium hegesztése igen nehéz, hajlamos a meleg repedésre, 2,5 százalék wolfram, molibdén vagy mór az ívhegeszthetőségét jelentősen javítja. Ellenálláshegesztése és nés a szerszámok élettartamát jelentősen növeli és a felületi minőséget is javítja. Az urán marásához a gyorsacél szerszámok is megfelelnek, de ajánlatos őket munka előtt mélyhűtésnek (—85 C°) alávetni. Az urán lágy, könnyen porló korongokkal jól köszörülhető, köszörülésnél emulzióval való kenés kívánatos. Az urán megmunkálása és kezelése során néhány speciális szempontokra figyelemmel kell lenni: 1. vigyázni kell, hogy a kritikusnál nagyobb mennyiségű urán ne kerüljön együvé, mert ez véletlen robbanáshoz vezethet; 2. a finom uránpor és forgács lobbanékony, tűzveszélyes; 3. az urán erősen mérgező anyag, a belélegzés és bőrre jutás ellen a dolgozókat védeni kell; 4. figyelemmel kell lenni az urán radioaktivitására, forrasztása egyelőre megoldatlan. A tórium viszonylag jól forgácsolható, forgácsolási tulajdonságai az ötvözetlen acéléra emlékeztetnek. A gyorsacél szerszámok tökéletesen megfelelnek. A kenés kívánatos, de nélkülözhető. Köszörülése nehéz, mert a követ eli tömi és rátapad. A tórium kezelésére szintén ügyelni kell: lobbanékony, mérgező és sugároz. A tórium néhány nem atomtechnikai alkalmazása már régen ismert. Újabban jelentős szerepet kapott mint ötvöző, pl. a magnéziumnak már kis mennyiségben is kiváló szilárdsági és hőállósági tulajdonságokat ad. Igen hasznos az a tulajdonsága, hogy tisztátlan semleges gáz atmoszférájú elektron- és kisülési csövekben a tórium-elektróda leköti az oxigént és a nitrogént, s így a töltőgázt üzem közben tisztán tartja. Jelentős szerepet kapott még a védőgázos (heliarc) hegesztéshez használt elektródák gyártásában. A tórium fizikai jellemzői 100 C° 0,090 Fajlagos ellenállás ohm-cm 20 C° 18,10* A tórium szilárdsági jellemzői (tájékoztató jellegű értékek, szobahőmérsékleten) Szakítószilárdság kg/mm? 17—25 Keménység (Vickers) 40—80 Rugalmassági modulus mm kg /m 10 s 7—* közé fő kristálytani irányokban erősen eltérő, amint ezt a 4. ábra is tanúsítja. Gyakorlatilag főként az alfa-urán viselkedése fontos, mivel a reaktorok s így az erőművi reaktorok üzemi hőmérséklete az alfa-módosulat hőmérséklet-tartományába esik. Az alfa-urán hőtágulási adatait 0—600 C° között a III. táblázat foglalja össze. III. táblázat: Az alfa-urán hőtágulása (elméleti adatok) 232 1 mTt 233 p n -233__^ Th +qI1 Th 2'iperc‘a 27,tnapu 1. ábra: Az urán-redukáló bomba kiemelése a gázfűtésű kemencéből ( Természetes Gyakori sugárzás és felezni is -filHHe) Ppfloff: idő:(ér) 0,0056 ék (4,76) 2,S-10S OzíS 0,716 ct'(4,5?) 7,! -10s . . . 3. ábra: A béta-fázis rácsszerkezeteinek háromféle (A, B, C) rétege Homér- I-L—[p . 100% gy0séklet: *0_______________ 100 c° [100] [010] [001] % 0 0 0 0 0 25 0,05 -0,002 0,05 0,09 50 0,10 -0,004 0,10 0,19 100 0,22 -0,007 0,21 0,39 200 0,48 -0,019 0,44 0,87 300 0,80 -0,052 0,70 1,42 400 1,17 -0,124 1,02 2,04 500 1,59 -0,250 1,40 2,73 600 2,07 -0,450 1,88 5,48 4. ábra: Az alfa-urán rácsparaméterei a hőmérséklet függvényében a Sauidi Melegen hengerelt, hengeres alakú alfa-urán próbatestek ismételt hevítés-lehűtés előtt és után. Hőmérsékleti határok S0 C° és 500 Cc A felső mintát 1300-szor, az alsót 3000-szer hevítették és hűtötték le 1. ábra: Szén, oxigén és nitrogén hatása a tórium szakítószilárdságára és a kontrakcióra Az urán szakítószilárdságának változása a vizsgálati hőmérséklet függvényében 2. ábra: A hőmérséklet hatása a tórium néhány szilárdsági jellemzőjére Rendszám 90 Atomsúly 232,12 Sűrűség g/cm3 11,5 Olvadáspont C° 1690 Forrpont C° 3000 Fajhő cal/mol C° <100 C°) 6,6 Hőtágulási együttható 10-' Cc 30—100 C° 11,5 30—500 C° 11,9 Hővezetési tényező cal /sec /cm / C7cm ÚJ FÉMEK A TECHNIKÁBAN Az 17 fizikai jellemzői (csak tájékoztató jellegű [nagyságrendi] adatok) Rendszám Atomsúly Vegyérték Sűrűség g/cm* Olvadáspont C° Forrpont C° Olvadáshő cal/mol Fajhő cal/mol C°(27 C*) Fajlagos ellenállási mikroohm-cm (25 C°) 2—4,10* Az U szilárdsági jellemzői (csak tájékoztató jellegű [nagyságrendi] adatok; szobahőmérsékleten) Szakítószilárdság kg/mm! Rugalmassági modulus 103 kg/mm! Keménység (Brinell) 40— 80 14— 20 240—280 K 238,01 3, 1, 5, 6 19 1133 3900 2,5—3,0 6,65