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 pellets , esses pellets são então sinterizados no sólido.
Esses pellets são então carregados e encapsulados dentro de uma barra de combustível (ou pino de combustível), que é 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 com o 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 linear de calor 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 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.
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