Математическое моделирование процессов окисления и воспламенения нелегированного плутония
Автор: Николай Иванович Карманов, Наталия Леонидовна Клиначева
Рубрика: Механика
Статья в выпуске: 2 т.17, 2025 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается проблема окисления и воспламенения плутония при различных температурах. Показано, что для определения критических условий возникновения воспламенения образцов плутония с характерным размером до 2 см на стадии установившейся толщины оксидного слоя достаточно воспользоваться выводами теории теплового взрыва в постановке Н.Н. Семенова. Расчеты критической температуры окружающей среды, выше которой происходит воспламенение плутония, удовлетворительно соответствуют экспериментальным данным. Сформулирована и обоснована модель окисления сферического образца плутония в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений. С помощью данной модели можно определять времена до воспламенения, а также определять количество окисленного плутония в каждый момент времени. Работоспособность модели проверялась на эксперименте по динамическому нагреву образца плутония до воспламенения. В результате получено удовлетворительное соответствие расчетного значения температуры на момент воспламенения экспериментально зафиксированному значению. На основании выводов теории теплового взрыва предложен подход по определению кинетических параметров для скорости реакции окисления плутония.
Воспламенение, окисление, плутоний, кинетические параметры, тепловой взрыв, период индукции
Короткий адрес: https://sciup.org/147248183
IDR: 147248183 | УДК: 544.452.1; 544.452.14 | DOI: 10.14529/mmph250206
Mathematical Modeling of Oxidation and Ignition Processes of Unalloyed Plutonium
The article discusses the problem of oxidation and ignition of plutonium at various temperatures. It is shown that to determine the critical conditions for the ignition of plutonium samples with a characteristic size of up to 2 cm at the stage of the steady-state thickness of the oxide layer, it is sufficient to use the outcomes of the thermal explosion theory formulated by N.N. Semenov. Calculations of the critical ambient temperature above which plutonium ignites are in satisfactory agreement with the experimental results. A model of the oxidation of a spherical plutonium sample in the form of a system of ordinary differential equations is formulated and substantiated. Using this model, it is possible to determine the time before ignition and the amount of oxidized plutonium at any given moment. The model’s operability was tested in an experiment on dynamic heating of a plutonium sample before ignition. As a result, a satisfactory correspondence of the calculated temperature value at the time of ignition to the experimentally recorded value was obtained. Based on the conclusions of the thermal explosion theory, an approach to the determination of the kinetic parameters for the reaction rate of plutonium oxidation is proposed.
