Conductividad térmica de sólidos
El transporte de energía térmica en sólidos puede deberse generalmente a dos efectos:
- la migración de electrones libres
- ondas vibratorias reticulares (fonones)
Cuando los electrones y los fonones transportan energía térmica que conduce a la transferencia de calor por conducción en un sólido, la conductividad térmica puede expresarse como:
k = k e + k ph
Conductividad térmica de metales
Los metales son sólidos y, como tales, poseen una estructura cristalina donde los iones (núcleos con sus capas circundantes de electrones centrales) ocupan posiciones translacionalmente equivalentes en la red cristalina. Los metales en general tienen alta conductividad eléctrica , alta conductividad térmica y alta densidad. En consecuencia, el transporte de energía térmica puede deberse a dos efectos:
- la migración de electrones libres
- Ondas reticuladas vibracionales (fonones).
Cuando los electrones y los fonones transportan energía térmica que conduce a la transferencia de calor por conducción en un sólido, la conductividad térmica puede expresarse como:
k = k e + k ph
La característica única de los metales en lo que respecta a su estructura es la presencia de portadores de carga, específicamente electrones . Las conductividades eléctricas y térmicas de los metales se originan por el hecho de que sus electrones externos están deslocalizados . Su contribución a la conductividad térmica se conoce como conductividad térmica electrónica, k e . De hecho, en metales puros como el oro, la plata, el cobre y el aluminio, la corriente de calor asociada con el flujo de electrones supera con creces una pequeña contribución debido al flujo de fonones. Por el contrario, para las aleaciones, la contribución de k ph a k ya no es despreciable.
Conductividad térmica de no metales
Para los sólidos no metálicos , k está determinado principalmente por k ph , que aumenta a medida que disminuye la frecuencia de las interacciones entre los átomos y la red. De hecho, la conducción térmica en celosía es el mecanismo de conducción térmica dominante en los no metales, si no el único. En los sólidos, los átomos vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio (red cristalina). Las vibraciones de los átomos no son independientes entre sí, sino que están fuertemente acopladas con los átomos vecinos. La regularidad de la disposición reticular tiene un efecto importante en k ph , con materiales cristalinos (bien ordenados) como el cuarzo.que tiene una conductividad térmica más alta que los materiales amorfos como el vidrio. A temperaturas suficientemente altas k ph ∝ 1 / T.
Los cuantos del campo vibratorio de cristal se denominan ” fonones ” . Un fonón es una excitación colectiva en una disposición periódica y elástica de átomos o moléculas en materia condensada, como sólidos y algunos líquidos. Los fonones juegan un papel importante en muchas de las propiedades físicas de la materia condensada, como la conductividad térmica y la conductividad eléctrica. De hecho, para sólidos cristalinos no metálicos como el diamante, k ph puede ser bastante grande, excediendo los valores de k asociados con buenos conductores, como el aluminio. En particular, el diamante tiene la mayor dureza y conductividad térmica (k = 1000 W / mK) de cualquier material a granel.
Conductividad térmica del dióxido de uranio
La mayoría de los PWR utilizan el combustible de uranio , que está en forma de dióxido de uranio . El dióxido de uranio es un sólido semiconductor negro con muy baja conductividad térmica . Por otro lado, el dióxido de uranio tiene un punto de fusión muy alto y tiene un comportamiento bien conocido . El UO2 se presiona en gránulos , estos gránulos se sinterizan en el sólido.
Estos gránulos se cargan y encapsulan dentro de una barra de combustible (o pasador de combustible), que está hecha de aleaciones de circonio debido a su sección transversal de muy baja absorción (a diferencia del acero inoxidable). La superficie del tubo, que cubre los gránulos, se llama revestimiento de combustible . Las barras de combustible son el elemento base de un conjunto de combustible.
La conductividad térmica del dióxido de uranio es muy baja en comparación con el uranio metálico, nitruro de uranio, carburo de uranio y material de revestimiento de circonio. La conductividad térmica es uno de los parámetros que determinan la temperatura de la línea central del combustible . Esta baja conductividad térmica puede provocar un sobrecalentamiento localizado en la línea central del combustible y, por lo tanto, se debe evitar este sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento del combustible se evita manteniendo la tasa de calor lineal máxima (LHR) en estado estable o el factor de canal caliente del flujo de calor – F Q (z)debajo del nivel en el cual ocurre la fusión de la línea central del combustible. La expansión de la pastilla de combustible al derretirse en la línea central puede hacer que la pastilla tensione el revestimiento hasta el punto de falla.
La conductividad térmica del UO 2 sólido con una densidad del 95% se estima mediante la siguiente correlación [Klimenko; Zorin]:
donde τ = T / 1000. La incertidumbre de esta correlación es + 10% en el rango de 298.15 a 2000 K y + 20% en el rango de 2000 a 3120 K.
Referencia especial: Centrales térmicas y nucleares / Manual ed. por AV Klimenko y VM Zorin. MEI Press, 2003.
Referencia especial: Propiedades termofísicas de los materiales para la ingeniería nuclear: un tutorial y recopilación de datos. IAEA-THPH, IAEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.
Conductividad térmica de circonio
El circonio es un metal de transición brillante, de color blanco grisáceo y fuerte que se asemeja al hafnio y, en menor medida, al titanio. El circonio se usa principalmente como refractario y opacificador, aunque se usan pequeñas cantidades como agente de aleación por su fuerte resistencia a la corrosión. La aleación de circonio (por ejemplo, Zr + 1% Nb) se usa ampliamente como revestimiento para combustibles de reactores nucleares. Las propiedades deseadas de estas aleaciones son una sección transversal de baja captura de neutrones y resistencia a la corrosión en condiciones normales de servicio. Las aleaciones de circonio tienen una conductividad térmica más baja (aproximadamente 18 W / mK) que el metal de circonio puro (aproximadamente 22 W / mK).
Referencia especial: Propiedades termofísicas de los materiales para la ingeniería nuclear: un tutorial y recopilación de datos. IAEA-THPH, IAEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.
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