Плотность урана и его теплофизические свойства при различных температурах
Плотность урана
Представлены таблицы значений плотности урана U различной чистоты и способа получения в интервале температуры от -253 до 1227°С.
Уран, в зависимости от температуры, имеет различную кристаллическую структуру:
- α-фаза (до 930 К);
- β-фаза (от 930 до 1045 К);
- γ-фаза (выше 1045 К).
Различие кристаллической структуры оказывает влияние на плотность урана. Например, при 935 К уран α-фазы имеет плотность выше, чем β-фазы; при дальнейшем нагреве до 1045 К плотность урана γ-фазы снижается.
При 25°С плотность урана высокой чистоты, полученного путем направленной кристаллизации, составляет 19070 кг/м3. Деформированный металл имеет плотность от 18700 до 19080 кг/м3. Плотность кованого урана составляет 19050 кг/м3, литого урана — около 18700 кг/м3.
В таблице приведена плотность урана при температурах от 0 до 1100°С. Данные относятся к металлу чистотой 99,99%, вакуумной плавки с последующей протяжкой через фильеру и отжигом в течении одного часа в вакууме при 800 К. По данным таблицы видно, что с ростом температуры плотность урана снижается.
| T, K | t, °С | ρ, кг/м3 | T, K | t, °С | ρ, кг/м3 |
|---|---|---|---|---|---|
| 273 (α) | 0 | 19080 | 998 | 725 | 18110 |
| 298 | 25 | 19070 | 1023 | 750 | 18090 |
| 373 | 100 | 19010 | 1045 (β) | 772 | 18070 |
| 473 | 200 | 18920 | 1045 (γ) | 772 | 17940 |
| 573 | 300 | 18820 | 1073 | 800 | 17910 |
| 673 | 400 | 18700 | 1123 | 850 | 17850 |
| 773 | 500 | 18580 | 1173 | 900 | 17790 |
| 873 | 600 | 18450 | 1223 | 950 | 17730 |
| 935 (α) | 662 | 18360 | 1273 | 1000 | 17670 |
| 935 (β) | 662 | 18170 | 1323 | 1050 | 17610 |
| 973 | 700 | 18130 | 1373 | 1100 | 17560 |
Плотность литого урана чистотой 99,7% несколько ниже плотности высокочистого металла, рассмотренного выше. Данные в следующей таблице относятся к металлу без термообработки и не бывшего в употреблении.
Плотность урана при нагревании снижается, а в расплавленном состоянии он становится еще менее плотным. Например, при 1300 К металл в твердом состоянии имеет плотность 17620 кг/м3, а при температуре 1410 К плотность жидкого урана составляет всего 16630 кг/м3.
Следует отметить, что при температурах более 700 К в процессе длительной выдержки при постоянной температуре металл подвергается старению, и его плотность становится меньше. Например, при 800 К и разряжении 10-3 мм. рт. ст. за время 500 часов плотность урана уменьшается до значения 18380 кг/м3; при этом металл становится хрупким.
| T, K | t, °С | ρ, кг/м3 | T, K | t, °С | ρ, кг/м3 |
|---|---|---|---|---|---|
| 20 (α) | -253 | 18840 | 700 | 427 | 18500 |
| 100 | -173 | 18800 | 800 | 527 | 18440 |
| 200 | -73 | 18750 | 940 (β) | 667 | 18170 |
| 250 | -23 | 18700 | 1030 | 757 | 18080 |
| 300 | 27 | 18680 | 1050 (γ) | 777 | 17940 |
| 350 | 77 | 18650 | 1100 | 827 | 17910 |
| 400 | 127 | 18620 | 1200 | 927 | 17750 |
| 450 | 177 | 18610 | 1300 | 1027 | 17620 |
| 500 | 227 | 18600 | 1410 | 1137 | 16630 |
| 600 | 327 | 18550 | 1500 | 1227 | 16700 |
Теплофизические свойства урана (теплопроводность, теплоемкость др.)
Теплофизические свойства урана приведены в таблице при температуре от -253 до 1227°С. Свойства указаны для литого металла чистотой 99,7% без термообработки. Даны следующие свойства урана:
- удельная теплоемкость Cp, Дж/(кг·град);
- коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·град);
- коэффициент линейного теплового расширения α, град-1;
- удельное электрическое сопротивление ρ, Ом·м.
Удельная теплоемкость урана при комнатной температуре составляет 134 Дж/(кг·град), что является относительно малым значением среди металлов. Теплопроводность урана увеличивается при нагревании (α-фаза), а также с уменьшением количества примесей. При 0°С для металла высокой чистоты она может достигать 26 Вт/(м·град).
Коэффициент линейного теплового расширения урана и его удельное электрическое сопротивление также возрастают при нагревании. При комнатной температуре они равны, соответственно 15·10-6 град-1 и 34·10-8 Ом·м.
| T, K | t, °С | Cp, Дж/(кг·град) | λ, Вт/(м·град) | α·106, град-1 | ρ·108, Ом·м |
|---|---|---|---|---|---|
| 20 (α) | -253 | 125 | — | — | — |
| 100 | -173 | 126 | — | 11 | 25 |
| 200 | -73 | 130 | 17,8 | 11 | 28 |
| 250 | -23 | 132 | 20 | 13 | 31 |
| 300 | 27 | 134 | 22,5 | 15 | 34 |
| 350 | 77 | 137 | 25 | 15,2 | 37 |
| 400 | 127 | 140 | 26,5 | 15,3 | 41 |
| 450 | 177 | 142 | 28,8 | 15,6 | 44 |
| 500 | 227 | 145 | 30 | 15,8 | 47 |
| 600 | 327 | 153 | 31,8 | 16,4 | 52 |
| 700 | 427 | 162 | 32,8 | 16,9 | 54 |
| 800 | 527 | 173 | 32,9 | 17,5 | 56 |
| 900 | 627 | 185 | 32,4 | 18 | 58 |
| 940 (β) | 667 | 190 | 31,3 | 19,3 | 57 |
| 1030 | 757 | 202 | 28,5 | 22,1 | 55 |
| 1050 (γ) | 777 | 205 | 27,5 | 22,6 | 58 |
| 1100 | 827 | 213 | 25,7 | 22,6 | 55 |
| 1200 | 927 | 232 | 22,4 | 22,6 | 50 |
| 1300 | 1027 | 250 | 19,6 | 22,6 | 45 |
| 1400 | 1127 | — | 18 | 22,6 | 40 |
| 1410 | 1137 | — | 13,7 | — | — |
| 1500 | 1227 | — | 13,8 | — | — |
Следует отметить также другие тепловые характеристики этого радиоактивного металла. Так, температура плавления урана равна 1406 К, кипения составляет около 4135 К. Степень черноты урана при температурах от 1200…1400 К равна 0,51. Степень черноты жидкого урана при 1450 К составляет 0,34.
Уран легко корродирует на воздухе и в атмосфере водяного пара. Глубина проникновения коррозии быстро возрастает с увеличением температуры. На воздухе металл принимает «соломенную» окраску через 3 часа и коричневую через сутки.
Источник:
Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1967.