Was ist Phonon?
Was ist Phonon – Definition
Die Quanten des Kristallschwingungsfeldes werden als ” Phononen” bezeichnet . Ein Phonon ist eine kollektive Anregung in einer periodischen, elastischen Anordnung von Atomen oder Molekülen in kondensierter Materie, wie Festkörpern und einigen Flüssigkeiten. Phononen spielen eine wichtige Rolle bei vielen physikalischen Eigenschaften kondensierter Materie, wie der Wärmeleitfähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit. Tatsächlich kann k ph für kristalline, nichtmetallische Feststoffe wie Diamant ziemlich groß sein und Werte von k überschreiten, die mit guten Leitern wie Aluminium verbunden sind. Insbesondere hat Diamant die höchste Härte und Wärmeleitfähigkeit (k = 1000 W / mK) aller Schüttgüter.
Bei nichtmetallischen Festkörpern wird k hauptsächlich durch k ph bestimmt , das mit abnehmender Häufigkeit der Wechselwirkungen zwischen den Atomen und dem Gitter zunimmt. Tatsächlich ist die Gitterwärmeleitung der dominierende Wärmeleitungsmechanismus bei Nichtmetallen, wenn nicht der einzige. In Festkörpern schwingen Atome um ihre Gleichgewichtspositionen (Kristallgitter). Die Schwingungen der Atome sind nicht unabhängig voneinander, sondern stark mit benachbarten Atomen gekoppelt. Die Regelmäßigkeit der Gitteranordnung hat einen wichtigen Einfluss auf k ph bei kristallinen (geordneten) Materialien wie Quarzmit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als amorphe Materialien wie Glas. Bei ausreichend hohen Temperaturen ist k ph ∝ 1 / T.
Wärmeleitfähigkeit von Urandioxid
Die meisten DWR verwenden den Uranbrennstoff , der in Form von Urandioxid vorliegt . Urandioxid ist ein schwarzer halbleitender Feststoff mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit . Andererseits hat das Urandioxid einen sehr hohen Schmelzpunkt und ein bekanntes Verhalten . Das UO2 wird zu Pellets gepresst , diese Pellets werden dann in den Feststoff gesintert.
Diese Pellets werden dann in einem Brennstab (oder Brennstoff pin) geladen und eingekapselt, die aus Zirconium – Legierungen sind aufgrund seines sehr geringen Absorptionsquerschnittes (im Unterschied zu dem rostfreien Stahl). Die Oberfläche des Rohrs, die die Pellets bedeckt, wird als Brennstoffhülle bezeichnet . Brennstäbe sind Basiselement eines Brennelementes.
Die Wärmeleitfähigkeit von Urandioxid ist im Vergleich zu Metalluran, Urannitrid, Urankarbid und Zirkonium-Plattierungsmaterial sehr gering. Die Wärmeleitfähigkeit ist einer der Parameter, die die Mittellinientemperatur des Kraftstoffs bestimmen . Diese geringe Wärmeleitfähigkeit kann zu einer lokalen Überhitzung in der Kraftstoffmittellinie führen, weshalb diese Überhitzung vermieden werden muss. Eine Überhitzung des Kraftstoffs wird verhindert, indem die stationäre lineare Spitzenheizrate (LHR) oder der Wärmestrom-Heißkanalfaktor – F Q (z) beibehalten werden.unterhalb des Niveaus, bei dem das Schmelzen der Kraftstoffmittellinie auftritt. Die Expansion des Brennstoffpellets beim Schmelzen entlang der Mittellinie kann dazu führen, dass das Pellet die Ummantelung bis zum Versagen belastet.
Die Wärmeleitfähigkeit von festem UO 2 mit einer Dichte von 95% wird durch folgende Korrelation geschätzt [Klimenko; Zorin]:
wobei τ = T / 1000. Die Unsicherheit dieser Korrelation beträgt + 10% im Bereich von 298,15 bis 2000 K und + 20% im Bereich von 2000 bis 3120 K.
Sonderreferenz: Wärme- und Kernkraftwerke / Handbuch ed. von AV Klimenko und VM Zorin. MEI Press, 2003.
Besondere Referenz: Thermophysikalische Eigenschaften von Materialien für die Nukleartechnik: Ein Tutorial und eine Sammlung von Daten. IAEA-THPH, IAEA, Wien, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.
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