Was ist Wärmeleitfähigkeit von Feststoffen und Metallen – Definition

Wenn Elektronen und Phononen Wärmeenergie tragen, die zu einer Wärmeleitung in einem Festkörper führt, kann die Wärmeleitfähigkeit ausgedrückt werden als:

k = k _e + k _ph

Das einzigartige Merkmal von Metallen in Bezug auf ihre Struktur ist das Vorhandensein von Ladungsträgern, insbesondere Elektronen . Die elektrischen und Wärmeleitfähigkeiten von Metallen stammen aus der Tatsache , dass ihre äußeren Elektronen delokalisiert sind . Ihr Beitrag zur Wärmeleitfähigkeit wird als elektronische Wärmeleitfähigkeit k _{e bezeichnet} . Tatsächlich übersteigt in reinen Metallen wie Gold, Silber, Kupfer und Aluminium der Wärmestrom, der mit dem Elektronenfluss verbunden ist, einen kleinen Beitrag aufgrund des Phononenflusses bei weitem. Im Gegensatz dazu ist bei Legierungen der Beitrag von k _ph zu k nicht mehr vernachlässigbar.

Wärmeleitfähigkeit von Nichtmetallen

Für nichtmetallische Festkörper wird k hauptsächlich durch k _{ph bestimmt} , das mit abnehmender Häufigkeit von Wechselwirkungen zwischen den Atomen und dem Gitter zunimmt. Tatsächlich ist die Gitterwärmeleitung der dominierende Wärmeleitungsmechanismus in Nichtmetallen, wenn nicht der einzige. In Festkörpern schwingen Atome um ihre Gleichgewichtspositionen (Kristallgitter). Die Schwingungen der Atome sind nicht unabhängig voneinander, sondern stark an benachbarte Atome gekoppelt. Die Regelmäßigkeit der Gitteranordnung hat einen wichtigen Einfluss auf k _ph bei kristallinen (gut geordneten) Materialien wie Quarzmit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als amorphe Materialien wie Glas. Bei ausreichend hohen Temperaturen k _ph ∝ 1 / T.

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 von kondensierter Materie wie Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit. Tatsächlich kann für kristalline, nichtmetallische Feststoffe wie Diamant k _ph ziemlich groß sein und die 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.

Wärmeleitfähigkeit von Urandioxid

Die meisten PWRs 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 Brennstoffmantel bezeichnet . Brennstäbe sind das Grundelement einer Brennelementanordnung.

Die Wärmeleitfähigkeit von Urandioxid ist im Vergleich zu Metalluran, Urannitrid, Urancarbid und Zirkoniummantelmaterial sehr gering. Die Wärmeleitfähigkeit ist einer der Parameter, die die Temperatur der Kraftstoffmittellinie 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 lineare lineare Spitzenheizrate (LHR) oder der Wärmestrom-Heißkanalfaktor – F _Q (z) beibehalten werden.unterhalb des Niveaus, bei dem das Schmelzen der Kraftstoffmittellinie auftritt. Die Ausdehnung des Brennstoffpellets beim Schmelzen 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.

Wärmeleitfähigkeit von Zirkonium

Zirkonium ist ein glänzendes, grauweißes, starkes Übergangsmetall, das Hafnium und in geringerem Maße Titan ähnelt. Zirkonium wird hauptsächlich als Feuerfest- und Trübungsmittel verwendet, obwohl geringe Mengen als Legierungsmittel für seine starke Korrosionsbeständigkeit verwendet werden. Eine Zirkoniumlegierung (z. B. Zr + 1% Nb) wird häufig als Ummantelung für Kernreaktorkraftstoffe verwendet. Die gewünschten Eigenschaften dieser Legierungen sind ein geringer Neutroneneinfangquerschnitt und Korrosionsbeständigkeit unter normalen Betriebsbedingungen. Zirkoniumlegierungen haben eine geringere Wärmeleitfähigkeit (ca. 18 W / mK) als reines Zirkoniummetall (ca. 22 W / mK).

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.