CC BY
40
УДК 621.311.25(06)
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ СПЛАВОВ Pb-Mg-Zr И ТЕРМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРАНИЦЫ КОНТАКТА СПЛАВОВ И СТАЛИ ЭП-823 В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР 300-900 °C
A. Б. Круглов1, В. Б. Круглов1, П. Г. Стручалин1,
B. С. Харитонов1, Е.А. Орлова2, С. А. Загребаев2,
В. Г. Жмурин2
В работе предложена методика измерения термического сопротивления границы контакта жидкий металл -конструкционная сталь. Приведены результаты измерений термического сопротивления границы контакта между сплавами Pb-Mg-Zr и сталью ЭП-823, а также теплопроводности сплавов Pb-Mg-Zr в диапазоне температур 350-900 °C.
Ключевые слова: теплопроводность, теплоемкость, контактное термическое сопротивление, свинцовые сплавы, свинец-магний-цирконий.
В современных проектах перспективных ядерных энергетических установок на быстрых нейтронах планируется использование нитридного топлива, существенными достоинствами которого являются высокая ураноемкость и теплопроводность. Предельная мощность твэлов с нитридным топливом ограничивается пороговой температурой в ~1200 °C [1], выше которой возможно сильное газовое распухание топлива. Снижение максимальной температуры топлива до 1000 °C при сохранении высокого энерговыделения требует использования теплопроводящего жидкометаллического слоя между топливом и оболочкой.
При исследовании твэла с нитридным топливом и свинцовым жидкометаллическим подслоем под облучением в реакторной установке Б0Р-60 [2] обнаружена проблема совместимости подслоя с оболочкой твэла из стали ЭП823-Ш (16Х12ВМСФБР). Коррозионное взаимодействие расплава с поверхностью отсутствует, если в качестве расплава
1 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское шоссе, 31; e-mail: pstruchalin@mail.ru.
2 ГНЦ РФ-ФЭИ им. А. И. Лейпунского, Калужская обл., г. Обнинск, Россия.
теплопроводящего слоя используется сплав свинца, легированного магнием и цирконием. При его использовании формируется защитное покрытие на поверхности стали из карбонитрида циркония и обеспечивается самозалечивание его случайных повреждений.
Анализ температурных режимов твэлов с нитридным топливом и жидкометалли-ческим подслоем требует наличия прецизионных данных по теплопроводности сплавов свинца с магнием и цирконием и данных по контактным термическим сопротивлениям между расплавом и поверхностью стали. К настоящему времени такие данные отсутствуют. Экспериментальному исследованию теплопроводности сплавов свинца с магнием и цирконием (РЬ-2.3% М^, РЬ-2.3% М^^г, РЬ-1.4% М^) и контактного термического сопротивления посвящена настоящая работа.
Методика измерения теплопроводности и контактного сопротивления. Эксперименты проводились на установке ЬЕА-457 импульсным методом в специальной ячейке. Ячейка представляет собой тигель, устанавливаемый в поворотный диск ЬЕА-457, в тигле между плоскостью донышка и плоскостью крышки находится исследуемый расплав [3]. При измерениях регистрируется термограмма нагрева поверхности крышки тигля после нагрева поверхности донышка импульсом лазера. Полученная термограмма обрабатывается по методике, основанной на сравнении функций (1), построенных для начального участка (80-140 мс) экспериментальной и расчетной термограмм нагрева поверхности крышки.
У (т) = 1п ((Т (т) - Т (0) -Л) = С ■ т-1 + Ь, (1)
где т = 0 - момент прихода импульса.
В зависимости (1) коэффициент С при т-1 не зависит от мощности импульса лазера, но зависит от термического сопротивления гк на границе расплав-тигель и теп-лофизических свойств расплава. Таким образом, в экспериментах с гк ^ 0 (гк < 2 ■ 10-6 (м2-К)/Вт) подгонкой угла наклона начального участка расчетной термограммы к углу наклона экспериментальной термограммы за счет варьирования теплопроводности, можно измерить теплопроводность расплава. Эксперименты показали, что добиться снижения контактного сопротивления ниже значений 2 ■ 10-6 (м2-К)/Вт возможно при нагреве измерительной ячейки с расплавом до температур > 800 — 900 °С и выдержке в течение 30-60 минут. Тогда после охлаждения величина гк остаётся малой.
При известной теплопроводности, а также плотности и теплоемкости расплава в диапазоне температур Т < 650 0С, когда контактные сопротивления гк > 2 х 10-6 (м2-К)/Вт, они определяются подгонкой угла наклона расчетной термограммы к экспериментальной варьированием величины гк.
Результаты измерения теплопроводности и контактного термического сопротивления. Сплавы для исследования были подготовлены на экспериментальном участке АО "ГНЦ РФ-ФЭИ". Исходными материалами для приготовления сплавов являлись: свинец марки С1, ГОСТ 3778-98; магний марки МГ-90, ГОСТ 804-93; цирконий марки Э110, ТУ 95.166-83.
На рис. 1 показаны результаты измерения теплопроводности сплава РЬ-2.3% М^^г.
Рис. 1: Измерения теплопроводности сплава Pb-2.3% Mg-Zr после первого (О) и второго плавлений (□).
В контрольной точке при температуре 600 0 C наблюдался уменьшающийся с течением времени рост измеренных значений теплопроводности, который объясняется уменьшением термического сопротивления гк на границах контакта расплава и поверхностей ячейки. Было установлено, что время релаксации термического сопротивления уменьшается с ростом температуры. При нагреве до 800-900 0C релаксация термического сопротивления заканчивалась за время 20-30 минут.
В последующих циклах нагрева и охлаждения наблюдались воспроизводящиеся результаты измерения теплопроводности, что возможно только в случае, если контактные сопротивления остаются малы (< 2 • 10-6 (м2•К)/Вт) и не влияют на тепловой процесс в измерительной ячейке. Сформировавшийся после прогрева ячейки до 800-900 0C тепловой контакт уже не изменялся в диапазоне температур Тпл < Тизм < 900 и сохранялся
даже после кристаллизации и повторного плавления, что продемонстрировано на рис. 1, и кроме того, сохранялся с течением времени, что было установлено 10-ти часовым измерением теплопроводности расплава РЬ-2.3% М^^г при температуре 600 0С.
Отклонение теплопроводности от среднего значения (19.9 Вт/(м-К)) не превышало 5%. Можно полагать, что в экспериментах после установления хорошего теплового контакта не происходит изменения его качества и уменьшения эффективной теплопроводности расплава.
10--1—I—I—|—I—I—I—|—I—I—I—|—I—I—I—
200 400 600 800 1000
Г,°С
Рис. 2: Результаты измерения теплопроводности сплавов Pb-Mg-Zr: □ - Р-2.3%Мд-
О - РЬ-1.4%Мд; • - РЬ-2.3%Мд;---- аппроксимация теплопроводности сплавов
Pb-Mg-Zr выражением (2);--теплопроводность свинца С1 [3].
На рис. 2 представлены результаты измерений теплопроводности сплавов свинца с магнием и цирконием. Полученные данные описываются интерполирующей зависимостью (2).
Л(Т) = 5.66 + 0.028 • Т — 8.49 • 10-6 • Т2. (2)
Для проведенных измерений теплопроводности сплавов относительная погрешность не превысила величины 7%.
В экспериментах, выполненных в диапазоне Тпл—650 0С, было установлено, что между расплавом и сталью существует термическое сопротивление, которое сопоставимо с термическим сопротивлением слоя расплава. Это значит, что в равенстве,
6 6
Г0 = ^ = 2Гк + ^ (3)
выражающем полное термическое сопротивление г0 исследуемого расплава, заключенного между поверхностями ячейки, слагаемые - одного порядка. В выражении (3) 8 -толщина слоя расплава, гк - термическое сопротивление контакта расплава и материала ячейки, Лр - теплопроводность расплава, Л* - эффективная теплопроводность, определяющая общее термическое сопротивление зазора с учетом термического сопротивления границ контакта сплава и ячейки.
Измерения термического сопротивления проводились согласно изложенной методике при температурах до 650 0С.
Зп
н
РР -
<м
з, -
»о
1
2 1-
°300 400 500 600 700
Г,°С
Рис. 3: Результаты измерений гк контакта сталь ЭП-823 - сплав Pb-Mg-Zr: □, О, Д, ♦ - экспериментальные значения.
При нагреве до контрольной температуры 600 0С, как и ранее, наблюдалась релаксация термического сопротивления границы контакта, которое было рассчитано с использованием выражения (3) и выражалось в затухающем росте измеренных значений коэффициента теплопроводности. В отдельно проведенной серии было установлено, что этот рост практически прекращался по истечении 8-ми часов. При этом величина теплопроводности расплава оставалась ниже величины, рассчитанной с помощью выражения (2).
Результаты измерения термического сопротивления между расплавами РЬ-М^^г и сталью представлены на рис. 3. Среднее значение контактного сопротивления равно 1.5 х 10-5 (м2-К)/Вт. Погрешность экспериментальных значений составляет 50%.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 1619-10548).
ЛИТЕРАТУРА
[1] А. Г. Самойлов и др., Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов: Учебник для вузов (М., Энергоатомиздат, 1996).
[2] А. В. Беляева, Ф. Н. Крюков, О. Н. Никитин и др., Основные результаты исследований уран-плутониевого нитридного топлива после облучения в реакторе Б0Р-60. Сб. докл. Междун. научн.-техн. конф. "Инновационные продукты и технологии ядерной энергетики", Москва, 2012 г. (М., НИКИЭТ, 2012), с. 223-228.
[3] A. B. Kruglov, V. B. Kruglov, V. I. Rachkov, et al., High Temperature 53(4), 564 (2015).
По материалам V Международной молодежной научной школы-конференции "Современные проблемы физики и технологий".
Поступила в редакцию 12 июля 2016 г.
