Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf GesmbH

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1 ?W( C," /O OEFZS BER. No ME-233/81 DEZEMBER 1981 Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf GesmbH Vergleichende Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von HTR-Brennelement Matrixgraphiten Karl Wal lisch

2 ÖFZS Ber. No ME-233/81 DEZEMBER 1981 VERGLEICHENDE BESTIMMUNG DER WÄRMELEITFÄHIGKEIT VON HTR-BRENNELEMENT MATRIXGRAPHITEN K. Wallisch Österreichisches Forschungszantrum Seibersdorf Ges.m.b.H. Lenaugasse 10 A-1G82 Wien INSTITUT FÜR METALLURGIE

3 ÜFZS Ber. Nr ME- 233/81 DEZEMBER 1981 VERGLEICHENDE BESTIMMUNG DER WÄRMELEITFÄHIGKEIT VON HTR-BRENNELEMENT MATRIXGRAPHITEN Zusammenfassung Mit einer "Laser Flash" Meßanlage wurde die Wärmeleitfähigkeit von HTR Matrixgraphiten bestimmt. Ein Vergleich mit den Werten, welche mit einer Wärmeleitfähigkeitsmeßanlage an den selben Proben gemessen wurden, zeigt eine gute Übereinstimmung der Resultate innernalb der Meßgenauigkeit der Wärmeleitfähigkeitsmeßanlage. Stichwörter: Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, HTR Matrixgraphite COMPARATIVE DETERMINATION OF THE THERMAL CONDUCTIVITY MATRIXES OF HTR FUEL ELEMENTS OF GRAPHITE Abstract A "laser flash" measuring equioment was used for the determination of the thermal conductivity of HTR graphit matrixes. A comparison with data from the same samples measured with a thermal conductivity measuring equipment shows a good agreement within the limits of error of the thermal conductivity measuring equipment. Keywords: Thermal Conductivity, Thermal Diffusivity, HTR Graphit Matrixes

4 INHALTSVERZEICHNIS 1. EINLEITUNG 1 Seite 2. PROBENHERSTELLUNG 3 3. MESSUNG DER TEMPERATURLEITFÄHIGKEIT UND BERECHNUNG DER WÄRMELEITFÄHIGKEIT 4 4. MESSERGEBNISSE 5 5. ZUSAMMENFASSUNG B Tab. 1 Zusammenfassung der Meßwerte der Matrixproben Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 ProbenKörper für die Radialflußmethode Entnahmepositionen der Proben für die "Flash"-Messung Vergleich der Meßergebnisse aus Radialflußmethode und "Flash"- Methode

5 1. EINLEITUNG Bei den Brennelementen des gasgekühlten Hochtemperaturreaktors sind die den Spaltstoff enthaltenden Brennstoffteilchen ("Coated Particles") in sogenannten Matrixgraphiten verpreßt. Matrixgraphite haben neben anderen Funktionen die des WärmetransportRS von den Brennstoffteilchen zum Kühlgas. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Graphite ist daher entscheidend für die Auslegung und das Betriebsverhalten der Brennelemente und ist somit eine wesentliche Meßgröße der Qualitätskontrolle in der Produktion von Brennelementen. Zur Messung der Wärmeleitfähigkeit wird beim Brennelsmenthersteller zurzeit die Radialflußmethode bei einer Meßtemperatur von 1000 C angewendet. Dabei wird ein Probenköroer (Abb. 1] von einem Heizleiter, der durch die zentrale Bohrung führt, auf die Meßtemperatur erwärmt. Aus der eingebrachten Heizleistung und aus radial auftretenden Temperaturgradienten wird die Temperaturleitfähigkeit sowohl parallel als auch senkrecht zur Preßrichtung des Graohits errechnet. Dieses Meßverfahren ist, was den Zeitaufwand und die Probenherstellung betrifft, aufwendig; die Meßgenauigkeit wird mit etwa ± 20 % angegeben. Als vergleichsweise rascne Meßmethode bei hoher Meßgenauigkeit und einfacher Probenherstellung kann für Wärmeleitfähigkeitsbestimmungen die "Flash"-Methode eingesetzt werden. Dabei wird die auf die Meßtemperatur aufgeheizte, scheibchenförmige Probe von 10 mm Durchmesser und einigen Millimetern Höhe durch Beschüß der Frontseite mit einem Impulslaser um einige Grade zusätzlich erwärmt. Aus dem zeitlichen Verlauf der Temperaturerhöhung auf der rückwärtigen Probenseite kann die TemperaturleitfähigKeit bestimmt werden [11. Sind weiters Probendichte und spezifische Wärme bei der Meßtemoeratur bekannt, so kann daraus die Wärmeleitfähigkeit errechnet werden.

6 - 2 - Um festzustellen, ob die "FlashT-Methode, vor allem im Hinblick auf die wesentlich kleinere Probendimension, repräsentative Meßergsbnisse liefert, wurde vergleichsweise an drei bereits vom Brennelementhersteller vermessenen Matrixproben die Wärmeleitfähigkeit bestimmt.

7 PRGBENHERSTELLUNG Abb. 2 zeigt die ungefähre Position der für die Messung der Temperaturleitfähigkeit aus den Wärmeleitfähigkeitsproben entnommenen Probenscheibchen. Die Wärmeleitfähigkeitsproben wurden zu dem Zweck zersägt; die Proben wurden durch Drehen in ihre endgültige Form von 10 mm Durchmesser und 2 mm Höhe gebracht. Von jeder der drei Matrixsorten wurden insgesamt vier Scheibchen, je zwei parallel und zwei senkrecht zur.pregrichtung, hergestellt.

8 MESSUNG DER TEMPERATURLEITFÄHIGKEIT UND BERECHNUNG DER WÄRMELEITFÄHIGKEIT Die Messung der Proben erfolgte bei 1000 C im Vakuum. Aus der Temperaturleitfähigkeit wurde die Wärmeleitfähigkeit nach X = 4,1868. a. p. c CW. cm' 1. grd" 1 ] a... Temperaturleitfähigkeit 2 rlern. sec - 1! J p... Probendichte Lg. cm 1 c... spezifische Wärme [cal. g. grd ] errechnet, wobei die dazu notwendigen Probendichten über Volumsund Gewichtsmessungen bestimmt wurden. Als Wert für die spezifische Wärme wurde 0,4633 [cal. g". grd ] der Literatur entnommen [2l.

9 MESSERGE3NISSE In Tab. 1 sind die Ergebnisse der Temoeraturleitfähigkeitsmessungen, die daraus berechneten Wärmeleitfähigkeitswerte sowie die Meßwerte des Brennelementherstellers aus der Wärmeflußmethode zusammengefaßt. Eins direkte Gegenüberstellung der Meßergebnisse zeigt Abb. 3. Generell gesehen liegen dabei die mit der "Flash"- Methode erhaltenen Meßwerte innerhalb der für die Wärmeflußmethode angegebenen Fehlergrenzen. Mit Ausnahme der Werte der Matrixproben 2 - senkrecht sind die mit der "Flash"-P1ethode bestimmten Wärmeleitfähigkeiten niederer als die mit der Wärmeflußmethode bestimmten Werte. Unterschiede der Meßwerte von Proben der gleichen Matrixsorte und der gleichen Meßrichtung weisen, da sie größer sind als durch die Meßgenauigkeit des Verfahrens (± 0,01 W. cm. grd ) erklärbar, auf lokale Inhomogenitäten hin. Besonders Matrixprobe 1 - oarallel und Matrixprobe 2 - oarallel zeigen derartige Unterschiede. Andererseits zeigt gerade dis Matrixprobe 2 - senkrecht, welche als einzige einen höheren Wert im Vergleich zur Wärmeflußmethode ergibt, keinen Unterschied zwischen den beiden Proben, so daß Materialinhomogenität als Ursache für einen zu hohen Meßwert mit großer Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden kann. Da bei einer Wiederholungsmessung die Meßwerte reproduzierbar waren, somit ein Meßfehler ausgeschlossen werden konnte, wird als Ursache ein Meßfehler bei der Wärmeflußmessung, der jedocn noch innerhalb der für die Wärmeflußmethode angegebenen Genauigkeit von ± 20 % liegt, angenommen../g

10 - B - 5. ZUSAMMENFASSUNG Die durchgeführten Messungen zeigen, daß die mit der "Flash"- Methode bestimmten Wärmeleitfähigkeiten innerhalb der Fehlerbandbreite der mittels der Wärmeflußmethode bestimmten Werte liegen. Zusätzlich mögliche Meßfehler, welche über die notwendige Dichtemessung oder durch Probeninhomogenitäten eingebracht werden können, haben darauf keinen Einfluß. Die entscheidenden Vorteile der "Flash"-f1eti h ode sind die einfache Probenherstellung und der rasche, unkomplizierte Maßvorgang. Auch unter Berücksichtigung, daß die Probendichte bestimmt werden muß, läßt sich gegenüber der Wärmeflußmethode ein vielfacher Probendurchsatz realisieren.

11 LITERATUR [1] W. NEUMANN, K. WALLISCH Temperaturleitfähigkeitsmessungen bei sehr hohen Temperaturen ÖFZS-Ber. No. A0258 ME-226/81, September 1981 C2l Thermophysical Properties of Matter, Volume 5 Specific Heat, Nonmetallic Solids IFI/Plenum, New York - Washington

12 Matrixprabe 1 datrixprobe 2 Matrixprobe 3! pare llel senk recht pareillel senf.recht para llel senk recht 1.Pr. 2.Pr. 1.Pr. 2.Pr. 1.Pr. 2.Pr. 1.Pr. 2.Pr. 1.Pr. 2.Pr. 1.Pr. 2.Pr. Temperaturleitfdhigkeit 0,117 0,105 0,110 0,107 0,106 0,098 0,108 0,108 0,103 0,105 0,090 0,088 [cm. sec ] bei 1000 C Dichte bei 20 C 1,708 1,713 1,703 1,704 1,708 1,714 1,699 1, ,680 1,697 1,696 [g. cm ] Spezifische Wärme [cal. g. grd ] bei 1000 C - u, i633 Wärmeleitfähigkeit 0,388 0,349 0,363 0,354 0,351 0,326 0,356 0,357 0,334 0,342 0,296 0,290 [W. cm. grd ] bei 1000 C Wärmeleitfähigkeit HOBEG [W. cm. grd ] bei 1000 C - 0, , , , , ,32 - Tabelle 1

13 Q) n o n -M Q) E V Z), 1 'I- TJ nj Q; 0) H T) I-, 0) Cl t-, :0 ^C 0) J3 O I, CL JJ CD i < c jc o CO E e 0 o ^t II ^ Q E JE o in nm CM Q e J; O 00 II n Q c E 0 'A~ <N tl «_J 1 6 JE O in?"" fxi ro E JE ^0?T C D O i_ c: Q) i_ DL I

14 J. Preßrichtung Proben Abb. 2 Entnahmapositionen der Proben f-ür die "Flash"-Messung Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf Ges.m.b.H.

15 [w cm 1 grd 1 ] et'öfzs ^ Fehlergrenze Wärmeflußmeihode 0.4 * Matrixprobe 1 Matrixprobe 2 O Matrixprobe i 0.45 et- Brennelementhersteller Abb. 3 Vergleich der Meßergebnisse aus Radialflußmethode und "FlastV-Msthada österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf Ges.m.b.H.

16 OEFZS-Berichte Eigentümer, Herausgeber, Verleger und Druck: 'Österreichisches Forschungszentrum Seibersdorf Ges.m.b.H. Nach dem Pressegesetz verantwortlich: Univ. Prof. Dr. Peter KQSS, alle Lenaugasse 10, 1082 Wien, Tel. (0222) , Telex Für diesen Bericht behalten wir uns alle '. ichte vor.

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