Qu’est-ce que la conductivité thermique du dioxyde d’uranium – Définition

Conductivité thermique du dioxyde d’uranium

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

Ces pastilles sont ensuite chargées et encapsulées dans un crayon de combustible (ou aiguillon) en alliages de zirconium en raison de sa très faible section transversale d’ absorption (contrairement à l’acier inoxydable). La surface du tube, qui recouvre les pellets, est appelée gaine combustible . Les barres de combustible sont l’élément de base d’un assemblage combustible.

La conductivité thermique du dioxyde d’uranium est très faible comparée à celle des métaux à base d’uranium, de nitrure d’uranium, de carbure d’uranium et de gaine de zirconium. La conductivité thermique est l’un des paramètres qui déterminent la température de l’axe du carburant . Cette faible conductivité thermique peut entraîner une surchauffe localisée dans la ligne médiane du combustible. Cette surchauffe doit donc être évitée. La surchauffe du combustible est évitée en maintenant le taux de chauffage linéaire de pointe (LHR) ou le facteur de canal chaud du flux de chaleur – F _Q (z)en dessous du niveau auquel la fusion de la ligne centrale de carburant se produit. L’expansion de la pastille de combustible lors de la fusion de l’axe central peut provoquer une contrainte sur la gaine jusqu’au point de rupture.

La conductivité thermique de UO ₂ solide avec une densité de 95% est estimée par la corrélation suivante [Klimenko; Zorin]:

où τ = T / 1000. L’incertitude de cette corrélation est de + 10% dans la plage de 298,15 à 2000 K et de + 20% dans la plage 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: didacticiel et collecte de données. AIEA-THPH, AIEA, Vienne, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.

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.