Qu’est-ce que la conductivité thermique des solides et des métaux – Définition

La caractéristique unique des métaux en ce qui concerne leur structure est la présence de porteurs de charges, en particulier les électrons . Les conductivités électriques et thermiques des métaux proviennent du fait que leurs électrons externes sont délocalisés . Leur contribution à la conductivité thermique est appelée conductivité thermique électronique, k _e . En fait, dans les métaux purs tels que l’or, l’argent, le cuivre et l’aluminium, le courant thermique associé au flux d’électrons dépasse de loin une petite contribution due au flux de phonons. En revanche, pour les alliages, la contribution de k _ph à k n’est plus négligeable.

Conductivité thermique des non-métaux

Pour les solides non métalliques , k est déterminé principalement par k _ph , qui augmente à mesure que la fréquence des interactions entre les atomes et le réseau diminue. En fait, la conduction thermique sur réseau est le mécanisme de conduction thermique dominant dans les non-métaux, sinon le seul. Dans les solides, les atomes vibrent autour de leur position d’équilibre (réseau cristallin). Les vibrations des atomes ne sont pas indépendantes les unes des autres, mais sont plutôt fortement couplées avec les atomes voisins. La régularité de l’arrangement du réseau a un effet important sur le k _ph , avec des matériaux cristallins (bien ordonnés) comme le quartzayant une conductivité thermique plus élevée que les matériaux amorphes comme le verre. A des températures suffisamment élevées k _ph ∝ 1 / T.

Les quanta du champ vibratoire cristallin sont appelés « phonons ». Un phonon est une excitation collective dans un arrangement élastique et périodique d’atomes ou de molécules dans la matière condensée, comme les solides et certains liquides. Les phonons jouent un rôle majeur dans de nombreuses propriétés physiques de la matière condensée, comme la conductivité thermique et la conductivité électrique. En fait, pour les solides cristallins non métalliques tels que le diamant, k _ph peut être assez grand, dépassant les valeurs de k associées à de bons conducteurs, comme l’aluminium. En particulier, le diamant a la dureté et la conductivité thermique les plus élevées (k = 1000 W / mK) de tous les matériaux en vrac.

Conductivité thermique du dioxyde d’uranium

La plupart des REP utilisent le combustible d’uranium , qui est sous forme de dioxyde d’uranium . Le dioxyde d’uranium est un solide semi-conducteur noir à très faible conductivité thermique . En revanche, le dioxyde d’uranium a un point de fusion très élevé et a un comportement bien connu . L’UO2 est pressé en pastilles , ces pastilles sont ensuite frittées dans le solide.

Ces pastilles sont ensuite chargés et encapsulés dans une barre de combustible (ou aiguille de combustible), qui est constitué d’alliages de zirconium en raison de sa très faible absorption section transversale (contrairement à l’acier inoxydable). La surface du tube, qui recouvre les pastilles, est appelée gaine de combustible . Les crayons combustibles sont l’élément de base d’un assemblage combustible.

La conductivité thermique du dioxyde d’uranium est très faible par rapport à l’uranium métallique, le nitrure d’uranium, le carbure d’uranium et le matériau de revêtement en zirconium. La conductivité thermique est l’un des paramètres qui déterminent la température centrale du carburant . Cette faible conductivité thermique peut entraîner une surchauffe localisée dans la ligne centrale du carburant et, par conséquent, cette surchauffe doit être évitée. La surchauffe du carburant est évitée en maintenant le taux de chaleur linéaire de pointe (LHR) en régime permanent ou le facteur de canal chaud du flux de chaleur – F _Q (z)en dessous du niveau auquel la fusion de la ligne centrale du carburant se produit. L’expansion de la pastille de combustible lors de la fusion de la ligne médiane peut amener la pastille à solliciter le revêtement jusqu’au point de défaillance.

La conductivité thermique de l’UO ₂ solide avec une densité de 95% est estimée en suivant la corrélation [Klimenko; Zorin]:

où τ = T / 1000. L’incertitude de cette corrélation est de + 10% dans l’intervalle de 298,15 à 2000 K et de + 20% dans l’intervalle de 2000 à 3120 K.

Référence spéciale: Centrales thermiques et nucléaires / Manuel éd. par AV Klimenko et VM Zorin. MEI Press, 2003.

Référence spéciale: Propriétés thermophysiques des matériaux pour le génie nucléaire: un tutoriel et la collecte de données. IAEA-THPH, AIEA, Vienne, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.

Conductivité thermique du zirconium

Le zirconium est un métal de transition solide, gris-blanc brillant, qui ressemble à l’hafnium et, dans une moindre mesure, au titane. Le zirconium est principalement utilisé comme réfractaire et opacifiant, bien que de petites quantités soient utilisées comme agent d’alliage pour sa forte résistance à la corrosion. L’alliage de zirconium (par exemple Zr + 1% Nb) est largement utilisé comme revêtement pour les combustibles des réacteurs nucléaires. Les propriétés souhaitées de ces alliages sont une faible section efficace de capture des neutrons et une résistance à la corrosion dans des conditions de service normales. Les alliages de zirconium ont une conductivité thermique plus faible (environ 18 W / mK) que le zirconium métallique pur (environ 22 W / mK).

Référence spéciale: Propriétés thermophysiques des matériaux pour le génie nucléaire: un tutoriel et la collecte de données. IAEA-THPH, AIEA, Vienne, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.