Железо, никель и кобальт резко понижают температуру плавления плутония, образуя легкоплавкую эвтектику так же, как при добавке свинца к олову получается припой, (д) Температура эвтектики в сплавах плутония с железом составляет 410 0C, содержание железа в эвтектической точке около 10 ат. %. (Сплав такого состава использовался в первых топливных элементах из металлического плутония в реакторе с расплавленным плутонием в Лос-Аламосе в конце 40-х годов.) Кремний, магний, осмий, рутений, родий и торий образуют эвтектические сплавы при более высоких температурах. Элементы, образующие эвтектику, ограничивают температурный интервал использования плутония и его сплавов. Например, плутоний, нагретый в стальном контейнере до температуры выше 410 °С, будет взаимодействовать с железом, образуя эвтектику. Даже при небольшом содержании легирующие элементы в плутонии могут сегрегировать по границам зерен, приводя к локальному обогащению и вызывая локальное оплавление и охрупчивание при температурах, близких к эвтектическим.
Известно, что при сплавлении металлов с неметаллическими элементами, имеющими очень небольшие атомные радиусы, образуются твердые растворы внедрения. Как правило, если радиус неметаллического элемента меньше 0,59 радиуса элемента А, образуется интерметаллическое соединение с простой структурой (чаще - гцк или гпу). Если отношение превышает указанное, образуются соединения со сложной структурой. Для плутония важными примесями являются кислород, углерод, азот и водород. Первые три элемента образуют несколько интерметаллических соединений с высокой температурой плавления (тугоплавких). Например, PuO2 является тугоплавким оксидом, поскольку плавится при температуре 2400 °С. Он используется в изотопных тепловых источниках, а также в качестве реакторного топлива в смеси с UO2- Аналогично, карбиды и нитриды плутония ранее представляли интерес в качестве реакторного топлива для бридеров. Водород также имеет тенденцию к образованию соединений, однако они очень легко распадаются.
Почти все остальные элементы в периодической системе имеют ограниченную растворимость в 5-фазе. Многие из них (например, барий, стронций и кальций) не смешиваются. Большинство из этих элементов повышают температуру плавления. Некоторые образуют вырожденную эвтектику перед повышением температуры плавления. Более половины элементов этой группы имеют растворимость в 8-фазе (например, торий, нептуний, уран, титан, рутений, родий, платина, осмий и большинство редкоземельных элементов) образовании сплава на энтропию могут влиять изменение конфигурации и колебания решетки. Ранее мы отмечали, что полуэмпирические теории сплавов оказались не очень удачными для прогнозирования эффектов легирования в плутонии. Купер (с. 156) предполагает, что атомы галлия, произвольно расположенные в решетке плутония, обеспечивают достаточно сильное рассеяние, чтобы понизить температуру самонаведенной локализации Андерсона ниже комнатной, объясняя тем самым сохранение 6-фазы. Однако для проведения расчетов, позволяющих получать количественную информацию, предстоит пройти еще долгий путь.
К счастью, задолго до появления теории электронной структуры металлурги и химики научились экспериментально строить диаграммы фазового равновесия. Диаграммы состояния, подобные показанным на рис. 17 и 18, были тщательно построены с использованием термического анализа, дилатометрии (измерение изменения длины), калориметрии, рентгеновской дифракции и металлографии (оптическая микроскопия структуры зерен и фаз). Что касается актиноидов, то Финли Эллин-джер и его коллеги из JIoc-Аламо-са посвятили свою профессиональную жизнь построению двойных диаграмм состояния плутония с множеством других элементов периодической таблицы. Они опубликовали также несколько тройных диаграмм (диаграмм плутония с двумя элементами), однако количество таких диаграмм невелико из-за огромной трудоемкости исследования. Мы должны развивать более совершенные теории, которые помогут нам понять поведение легирующих добавок и примесей.
Влияние примесей или случайных химических добавок на фазовую стабильность гцк 6-фазных сплавов - еще один не до конца исследованный вопрос. Примеси, как правило, появляются при литье или других процессах обработки, и их содержание в металлическом плутонии колеблется от 1000 до 2000 частей на миллион (ppm) от общей массы.