激光散射法測定高熱導芯塊熱擴散系數

楊志遠 杜丹

摘要：UO2-BeO高熱導芯塊相比于傳統核燃料擁有高熱導率、高效率、長周期以及低回收費用的特點。本文采用激光閃射法，表征了UO2-BeO芯塊的熱擴散系數，其中試驗參數的選擇及優化為主要研究部分。

關鍵詞：高熱導芯塊;激光閃射法;熱擴散系數

中圖分類號：TK13文獻標識碼：A

0前言

燃料元件是核燃料進入反應堆之前的最后一個關鍵環節，以UO2和BeO為原料制成的高熱導芯塊將用于未來的燃料元件之中。相比于傳統核燃料芯塊，UO2-BeO高熱導芯塊在效率和安全性上都有所提高。高熱導芯塊檢測需分別對不同配比高熱導芯塊熔點、熱膨脹、熱導率、比熱和焓、彈性模量和泊松比、熱穩定性等性能進行測試，本文主要對高熱導芯塊的熱擴散系數檢測方法進行了研究。

1方法原理

熱擴散系數反映物質的熱擴散能力或熱交換速度。激光閃射法作為材料導熱性能測量的常用方法，其原理為：在某設定溫度下，由激光源發射一束激光脈沖，照射至樣品下表面，使樣品表層溫度瞬間升高，并將能量以一維熱傳導至樣品上表面。使用紅外探測器連續測量樣品上表面的升溫過程，進而獲得溫度升高相對時間的關系曲線，通過測量在接收光脈沖照射后，樣品上表面溫度升高到最大值的一半所需的時間（t50），再由下式計算獲得物質的熱擴散系數：

2 試劑和材料

石墨噴霧劑

3 儀器與設備

4 實驗方法

4.1加液氮

使用塑料漏斗向紅外探測器上方的小孔內添加足量液氮，直至溢出，等待一至兩分鐘，待氣化液氮噴出后，再次添加液氮直至溢出，使用專用塞子堵住小孔。

4.2裝樣品

打開爐體，轉動紅外探測器，取下SiC樣品套，裝上樣品（注意：將SiC樣品套的豁口對準中心，使其對準熱偶，并保證熱偶不要接觸樣品套），轉動紅外探測器歸位，關閉爐體。

4.3抽真空

關掉出氣閥，打開真空泵，擰松真空表（黑閥）至壓力燈全部滅，關閉真空泵。打開充氣閥，填充至壓力增加到0，即至右邊界燈亮后繼續充填（5～10）s，略微正壓后關閉銅閥。關閉真空閥。重復上述過程3次。打開出氣閥，調節氣瓶低壓閥至0.1MPa，再調節質量流量計至流量為50mL/min。

4.4設置測量參數

打開測量軟件，檢測器選InSb，“校正文件”選擇Tcal zero，“樣品支架”選擇“SiC 12.7mm”，模型選擇“Cape-Lehman模型”，基本類型“線性”，點“增加”輸入材料名稱、密度等，并設置初始條件、溫度條件及結束條件。

5結果與討論

5.1 樣品厚度的選擇

（1）高導熱材料：500℃下熱擴散系數大于50mm2/s的材料（包括金屬、石墨、功能性高導熱陶瓷材料等）：一般制樣厚度應控制在3～6mm之間。

（2）中等導熱材料：500℃下熱擴散系數在0.5～50mm2/s 之間的材料（包括大部分一般陶瓷、部分合金材料等）：一般制樣厚度應控制在2～3mm之間。

（3）低導熱材料：500℃下熱擴散系數小于0.5mm2/s的材料（包括塑料、橡膠、玻璃等）：一般制樣厚度應控制在0.1～2mm之間。

通過初步測量各種配比的熱擴散系數在500℃下的熱擴散系數均處于0.5～50mm2/s之間，說明該材料為中等導熱材料，鑒于在中等導熱材料中，高熱到芯塊的熱擴散系數偏低，將制樣厚度確定為2.0～2.5mm之間。

5.2 修正模型選擇

LFA457激光脈沖熱導儀共有5種修正模型，分別為：絕熱模型，Cowan模型，CapeLehman模型，輻射模型以及脈沖修正模型。通過調研我們掌握了各類模型的特點及優勢，具體如下：

（1）絕熱模型：無熱損耗修正，該模型對半升溫時間值無任何修正，一般情況不建議使用。

（2）Cowan模型：包含熱損耗修正，在樣品厚度小于2mm和溫度低于500℃的情況下和CapeLehman模型計算結果接近，適用于低熱導材料熱擴散系數的測量。

（3）CapeLehman模型：包含表面熱損耗修正和徑向輻射熱損耗修正，計算精確，特別在800℃以上高溫且樣品厚度在2～4mm之間的情況下，該模型最為適用。

（4）輻射模型：只用于樣品部分透光（如玻璃、人工晶體類樣品）的場合。

（5）脈沖修正：針對照射脈沖本身寬度對曲線起始升溫部分造成的影響進行修正（特別在能量透過時間短、t50與脈沖寬度數量級相近的情況下），推薦使用XX模型+脈沖修正。

鑒于高熱導芯塊熱擴散系數檢測中更加關注高溫段的測試結果，且樣品厚度處于2～4mm之間，故選擇CapeLehman修正模型。

5.3測試參數設定（LFA457）

高熱導芯塊屬于不透明中等導熱陶瓷材料，對該類材料的檢測參數選擇為：放大器增益設為“50”、信號采樣時間：3000ms、激光器電壓為1826V、濾光片透射率為100%、溫度穩定閾值為0.20K/30s，溫度差異閾值在2.0K。

5.4 不同配比高熱到芯塊熱擴散系數的測定

使用上述選定的檢測參數，對不同配比的高熱導芯塊進行了熱擴散系數測試，結果見下圖：

5.5 精密度試驗

使用通過調研選定的修正模型、制樣厚度及檢測參數，分別使用3%和5%的高熱導芯塊進行了500℃下熱擴散系數測量結果的重復性試驗，測量結果如下。

測量結果顯示，使用CapeLehman模型，制樣厚度為2.5mm，檢測參數根據《LFA457激光脈沖熱導儀應用實錄》進行設置，測試所得的高熱導芯塊的熱擴散系數精密度優于5%，而LFA激光脈沖熱導儀的熱擴散系數測試精密度同樣為5%，滿足熱擴系數測試精度要求。

6 結束語

通過實驗，確定了高熱導芯塊熱擴散系數測試的最優化試驗參數，即修正模型為CapeLehman，制樣厚度為2.5mm左右，參數設置中，放大器增益設為“50”、信號采樣時間為3000ms、激光器電壓為1826V、濾光片透射率為100%、溫度穩定閾值為0.20K/30s，溫度差異閾值在2.0K。按照以上條件開展了測試結果重復性試驗，精密度由于5%，滿足熱擴散系數測試要求。

參考文獻

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