Р. С. КУЗЬМИН
Научный руководитель – А. В. ТЕНИШЕВ, к. т.н., доцент
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Предложены методики измерения теплофизических свойств циркониевых сплавов: теплоемкости, коэффициента линейного термического расширения, температуропроводности. Получены температурные зависимости коэффициента теплопроводности перспективных сплавов циркония в интервале 30 – 420 °С. Измерены температуры фазового перехода в этих сплавах.
Основой ядерной энергетики на сегодняшний день являются реакторы на тепловых нейтронах, в которых в качестве материала оболочки ТВЭЛОВ, дистанцирующих решеток и некоторых других важных конструктивных элементов используются сплавы циркония. В настоящей работе рассмотрены сплавы циркония, перспективные для ядерной промышленности: Э-110 (оптимизированный), Э-125 (электролитический и губчатый), Э-117, Э-635 и Э-635М.
Для изготовления надежного изделия с заданными свойствами важно с большой точностью знать температуры фазовых превращений, которые влияют на процесс производства. В настоящей работе температуры фазового перехода получены методом дифференциального термического анализа. Измерения проведены в лаборатории термического анализа кафедры «Физические проблемы материаловедения» на установке синхронного термического анализа STA 409 CD фирмы Netzsch (Германия), приобретенной в рамках инновационной образовательной программы МИФИ. Температуры начала превращения лежат в интервале 630-706 °С, а конца превращения – 825-864 °С, погрешность измерения температуры ±3 °С.
Важная характеристика материала ТВЭЛа, необходимая для точных расчетов и проектирования ядерных энергетических установок, – его теплофизические свойства: теплоемкость, коэффициент термического расширения, теплопроводность. Для измерения теплоемкости был использован относительный метод дифференциальной сканирующей калориметрии со стандартом из сапфира (α-Al2O3). Теплоемкость образцов в интервале температур 30-420 °С изменяется в интервале 280-340 Дж/(кг·К), и совпадает с литературными данными [1,2] в пределах погрешности ±5%.
Коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) был измерен на дилатометре DIL 402C фирмы Netzsch относительным методом, с использованием эталона из поликристаллического корунда. Значение КЛТР образцов лежит в пределах (5,75-6,15)·10-6 К-1.
Рис. 1. Температурные зависимости коэффициента теплопроводности
циркониевых сплавов
На рис. 1 представлены температурные зависимости коэффициента теплопроводности. Температуропроводность, сплавов циркония необходимая для расчета теплопроводности была измерена методом Паркера. Измерения проводились на установке «КВАНТ», собранной в МИФИ сотрудниками кафедры №9. Коэффициенты теплопроводности рассчитывались пор формуле
λ=а·Ср·ρ,
где а – температурная зависимость коэффициента температуропроводности, Ср – температурная зависимость теплоемкости, ρ – температурная зависимость плотности материала, рассчитанная с помощью температурной зависимости коэффициента линейного термического расширения. Относительная погрешность измерений 8%.
Полученные в работе данные имеют низкую погрешность и могут использоваться при инженерных расчетах и на производстве. Указанные методики могут использоваться для измерения теплофизических свойств металлов и сплавов.
Список литературы
1. Справочник «Физические величины» под ред. , . Москва, Энергоатомиздат, 1991г.
2. , , Денискина свойства материалов ядерной техники. Обнинск, ГНЦ РФ ФЭИ, 2005г. 182 с
