O que é condutividade térmica de sólidos e metais – Definição

Quando elétrons e fônons transportam energia térmica, levando à transferência de calor por condução em um sólido, a condutividade térmica pode ser expressa como:

k = k _e + k _ph

A característica única dos metais no que diz respeito à sua estrutura é a presença de portadores de carga, especificamente elétrons . As condutividades elétricas e térmicas dos metais se originam do fato de seus elétrons externos serem deslocalizados . Sua contribuição para a condutividade térmica é chamada de condutividade térmica eletrônica, k _e . De fato, em metais puros como ouro, prata, cobre e alumínio, a corrente de calor associada ao fluxo de elétrons excede em muito uma pequena contribuição devido ao fluxo de fônons. Por outro lado, para as ligas, a contribuição de k _ph para k não é mais desprezível.

Condutividade térmica de não metais

Para sólidos não metálicos , k é determinado principalmente por k _ph , que aumenta à medida que a frequência das interações entre os átomos e a rede diminui. De fato, a condução térmica em rede é o mecanismo dominante de condução térmica em não-metais, se não o único. Nos sólidos, os átomos vibram sobre suas posições de equilíbrio (estrutura cristalina). As vibrações dos átomos não são independentes uma da outra, mas são fortemente acopladas aos átomos vizinhos. A regularidade do arranjo de treliça tem um efeito importante no k _ph , com materiais cristalinos (bem ordenados) como o quartzotendo uma condutividade térmica mais alta que os materiais amorfos como o vidro. A temperaturas suficientemente altas k _ph ∝ 1 / T.

Os quanta do campo vibratório do cristal são chamados de ” fonons ” . Um fonon é uma excitação coletiva em um arranjo elástico periódico de átomos ou moléculas na matéria condensada, como sólidos e alguns líquidos. Os fônons desempenham um papel importante em muitas das propriedades físicas da matéria condensada, como condutividade térmica e condutividade elétrica. De fato, para sólidos cristalinos e não metálicos como diamante, o k _ph pode ser bastante grande, excedendo os valores de k associados a bons condutores, como o alumínio. Em particular, o diamante tem a mais alta dureza e condutividade térmica (k = 1000 W / mK) de qualquer material a granel.

Condutividade térmica do dióxido de urânio

A maioria dos PWRs usa o combustível de urânio , que está na forma de dióxido de urânio . O dióxido de urânio é um sólido semicondutor preto com condutividade térmica muito baixa . Por outro lado, o dióxido de urânio tem um ponto de fusão muito alto e um comportamento bem conhecido . O UO2 é prensado em pastilhas , essas pastilhas são então sinterizadas no sólido.

Esses pellets são então carregados e encapsulados dentro de uma barra de combustível (ou pino de combustível), feita de ligas de zircônio devido à sua seção transversal de absorção muito baixa (ao contrário do aço inoxidável). A superfície do tubo, que cobre os pellets, é chamada de revestimento de combustível . As hastes de combustível são o elemento base de um conjunto de combustível.

A condutividade térmica do dióxido de urânio é muito baixa quando comparada ao material de revestimento de urânio metálico, nitreto de urânio, carboneto de urânio e zircônio. A condutividade térmica é um dos parâmetros que determinam a temperatura da linha central do combustível . Essa baixa condutividade térmica pode resultar em superaquecimento localizado na linha central do combustível e, portanto, esse superaquecimento deve ser evitado. O superaquecimento do combustível é evitado através da manutenção da taxa de calor linear de pico no estado estacionário (LHR) ou do fator de canal quente do fluxo de calor – F _Q (z)abaixo do nível em que ocorre a fusão da linha central do combustível. A expansão do granulado de combustível após a fusão da linha central pode fazer com que o granulado estresse o revestimento ao ponto de falha.

A condutividade térmica da UO ₂ sólida com uma densidade de 95% é estimada seguindo a correlação [Klimenko; Zorin]:

onde τ = T / 1000. A incerteza dessa correlação é de + 10% na faixa de 298,15 a 2000 K e de 20% na faixa de 2000 a 3120 K.

Referência especial: Usinas Térmicas e Nucleares / Manual ed. por AV Klimenko e VM Zorin. MEI Press, 2003.

Referência especial: Propriedades termofísicas de materiais para engenharia nuclear: um tutorial e coleta de dados. IAEA-THPH, IAEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.

Condutividade térmica de zircônio

O zircônio é um metal de transição brilhante, branco-acinzentado e forte que se assemelha ao háfnio e, em menor grau, ao titânio. O zircônio é usado principalmente como refratário e opacificante, embora pequenas quantidades sejam usadas como agente de liga por sua forte resistência à corrosão. A liga de zircônio (por exemplo, Zr + 1% Nb) é amplamente utilizada como revestimento para combustíveis de reatores nucleares. As propriedades desejadas dessas ligas são uma seção transversal de captura de nêutrons baixa e resistência à corrosão em condições normais de serviço. As ligas de zircônio têm menor condutividade térmica (cerca de 18 W / mK) do que o metal de zircônio puro (cerca de 22 W / mK).

Referência especial: Propriedades termofísicas de materiais para engenharia nuclear: um tutorial e coleta de dados. IAEA-THPH, IAEA, Viena, 2008. ISBN 978–92–0–106508–7.