Thermal Conductivity of Uranium Mononitride

• Main Author: Valter, Mikael
• Format: Others
• Language: English
• Published: Linköpings universitet, Tunnfilmsfysik 2015
• Subjects: uranium nitride; porosity; thermal conductivity; laser flash analysis; nuclear fuel
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:liu:diva-122337

Thermal conductivity is a crucial parameter for nuclear fuel, as it sets an upper limit on reactor operating temperature to have safety margins. Uranium mononitride (UN) is a prospective fuel for fast reactors, for which limited experimental studies have been conducted, compared to the currently dominating light-water reactor fuel, uranium dioxide. The aim of this thesis is to determine the thermal conductivity in UN and to determine its porosity dependence. This was done by manufacturing dense and porous high-purity samples of UN and examining them with laser flash analysis, which with data on specific heat and thermal expansion gives the thermal conductivity. To analyse the result, a theoretical study of the phenomenology of thermal conductivity as well as a review and comparison with previous investigations were carried out. The porosity range was 0.1–31% of theoretical density. Thermal diffusivity data from laser flash analysis, thermal expansion data and specific heat data was collected for 25–1400 C. The laser flash data had high discrepancy at higher temperatures due to thermal instability in the device and deviations due to graphite deposition on the samples, but the low temperature data should be reliable. As the specific heat data was also of poor quality, literature data was used instead. As for the thermal diffusivity data, the calculated thermal conductivity for lower temperatures are more accurate. A modified version of the porosity model by Ondracek and Schulz was used to analyse the porosity dependence of the thermal conductivity, taking into account the different impacts of open and closed porosity. === Värmeledningsförmåga är en avgörande egenskap för kärnbränslen, eftersom det begränsar den maximala drifttemperaturen i reaktorn för att ha säkerhetsmarginaler. Uranmononitrid (UN) är ett framtida bränsle för snabba reaktorer. Jämfört med det dominerande bränslet i lättvattenreaktorer, urandioxid, har endast begränsade experimentella studier gjorts av UN. Målet med detta arbete är att bestämma värmeledningsförmågan i UN och bestämma dess porositetsberoende. Detta gjordes genom att tillverka kompakta och porösa prover av UN och undersöka dem med laserblixtmetoden, vilket tillsammans med värmekapacitet och värmeutvidgning ger värmeledningsförmågan. För att analysera resultatet gjordes en teoretisk studie av värmeledning såväl som en genomgång av och jämförelse med tidigare undersökningar. Provernas porositet sträckte sig från 0.1% till 31% av teoretisk densitet. Värmediffusivitetsdata från laserblixtmetoden, värmeutvidgningsdata och värmekapacitetsdata samlades in för 25–1400 C. Värdena från laserblixtmätningen hade hög diskrepans vid höga temperaturer p.g.a. termisk instabilitet i anordningen och avvikelser p.g.a. grafitavlagring på proverna, men data för låga temperaturer borde vara tillförlitliga. Eftersom resultaten från värmekapacitetsmätningen var av dålig kvalité, användes litteraturdata istället. Som en konsekvens av bristerna i mätningen av värmediffusivitet är presenterade data för värmeledningsförmåga mest exakta för låga temperaturer. En modifierad version av Ondracek-Schulz porositetsmodell användes för att analysera värmeledningsförmågans porositetsberoende genom att ta hänsyn till olika inverkan av öppen och sluten porositet.