Радиационной теплопроводности

Перспективным высокотемпературным топливом являются также нитриды урана и плутония. По сравнению с карбидным топливом они обладают еще большей плотностью делящегося вещества при сохранении высоких значений теплопроводности и температуры плавления. Однако пока проведено недостаточное количество работ по исследованию совместимости нитрид-ного топлива и его радиационной стойкости. В табл. 1.1 приведены физические характеристики топливных материалов, которые могут использоваться в реакторах ВГР и БГР.

тов являются новым видом перспективных материалов с сочетанием необычных физико-механических свойств — статической и динамической прочности, жаропрочности, демпфирующей способности, радиационной стойкости, износостойкости и др.

Среди путей улучшения радиационной стойкости материалов цривлекительными выгладят механико-термическая обработка и холодная деформация-

Наряду с разработкой и освоением рациональной технологии производства ядерного топлива большое значение для развития атомной техники имеют конструкционные материалы, применяемые в производстве специального промышленного и исследовательского оборудования. Помимо обычных требований механической прочности, теплопроводности, жаростойкости, коррозионной, эрозионной стойкости и т. д. к ним предъявляются специфические, определяемые особенностями атомной техники требования радиационной стойкости, необходимой степени поглощения нейтронов в зависимости от производственного назначения материала и пр. С учетом этих требований выбирались и изучались различные марки стали для элементов конструкции атомных реакторов, искусственного графита для элементов систем замедления и отражения нейтронов.в активной зоне реакторов, алюминия для защитных оболочек твэлов, предотвращающих возникновение химической реакции между химически несовместимыми урановыми сердечниками твэлов и теплоносителем (например, водой), бетона для нужд противорадиационной защиты и т. д. Применительно к этим же требованиям отечественной промышленностью освоены в производстве новые конструкционные материалы, ранее получавшиеся лишь в крайне ограниченных количествах на лабораторных установках — «тяжелая» вода, бериллий, цирконий и его сплавы и др.

1. Методы изучения радиационной стойкости.............. 115

В книге подводятся итоги многолетних исследований воздействия радиации на различные материалы и устройства. В ней широко и практически впервые освещены вопросы влияния облучения на полимеры, соединения, применяемые для изготовления электрической изоляции, различных резин, прокладочных и уплотнительных материалов, авиационных шин, стекол. Приводятся данные по влиянияю облучения на ракетные топлива и смазочные материалы, на органические теплоносители, ионообменные смолы, органические красители. Большое внимание уделено радиационной стойкости окислов алюминия, бериллия, магния, а также графита, карбидов, слюды, асбеста и других материалов. Рассматривается влияние облучения на полупроводниковые и электронные устройства, транзисторы, выпрямители, сопротивления, конденсаторы и т. д.

Главное достоинство книги состоит в том, что она может служить справочным пособием для конструкторов, которым необходимо учитывать требования радиационной стойкости материалов и устройств в целом. Книга может быть полезна также для специалистов-исследователей, занимающихся изучением механизмов радиационного воздействия на материалы.

Заслуживает внимания работа [210], в которой приведены результаты изучения радиационной стойкости циклооктатетраена. Продуктами радиолиза являются водород, ацетилен, полимер и немного бензола

В отличие от алифатических углеводородов ароматические углеводороды весьма стабильны при воздействии радиации. Эта высокая стойкость обусловливается высокой энергией связи ароматических структур. Считается установленным, что для резонансных ароматических структур энергия облучения преимущественно абсорбируется и рассеивается нелокализованными л-электронами [1]. Соединения с большей резонансной энергией обладают большей радиационной стабильностью, и ход уменьшения радиационной стойкости для ароматических соединений может быть представлен рядом — антрацены, нафталины, бензолы [62].

Зависимость радиационной стойкости соединений

При изучении радиационной стойкости ароматических углеводородов большое число экспериментов относилось к определению так называемой критической пороговой температуры * при облучении в реакторе. Проведение подобных работ было вызвано необходимостью решения вопроса о возможном использовании органических соединений в качестве теплоносителя-замедлителя в ядерных энергетических реакторах [30, 246].

Экспериментальные данные указывают на зависимость коэффициента теплопроводности при одинаковой пористости П от размера и формы пор (рис. 4-7). Влияние этих двух параметров связано с появлением свободной конвекции в порах и обычно лежит в пределах 10—15%. Следует отметить, что при малых плотностях пористых систем свободная конвекция может стать основным механизмом переноса тепла в них, причем коэффициент эффективной теплопроводности ЯЕ при уменьшении ps может даже увеличиваться. Однако в системах пористого охлаждения свободная конвекция не играет существенной роли из-за наличия интенсивного направленного потока фильтрующихся газов. При высоких температурах приходится учитывать не только изменение с температурой теплопроводности твердого каркаса KS и теплопроводности газа kg (Т), но и дополнительный перенос тепла излучением. При этом считается, что излучение входит в эффективный коэффициент Ян в виде слагаемого Кк(Т). Стенки пор можно представить в виде экранов, воспринимающих энергию излучения и одновременно испускающих ее. Чем больше таких экранов, тем меньше вклад излучения в общий перенос тепла. Рассмотрим процесс «радиационной теплопроводности» на примере простейшей пористой ячейки, имеющей форму параллелепипеда высотой h. Пусть температура его верхней стенки Т\ больше температуры

Используя коэффициент «радиационной теплопроводности» KR, можно выразить ^~2) формулой, аналогичной уравнению Фурье для молекулярной теплопроводности. При этом для малых разностей температур (Ti-Tz):

На основе такой общей постановки проведено обобщение и уточнение теоретических методов расчета радиационного теплообмена. Изложены дифференциальные методы расчета теплообмена излучением: дифференциально-разностное и диффузионное приближения, приближение радиационной теплопроводности, тензорное приближение и приближение Милна — Эддингтона. Далее на этой же основе рассмотрены интегральные уравнения теплообмена излучением и методы алгебраического приближения. Рассмотренные теоретические методы проиллюстрированы решением ряда задач, имеющих практическое значение.

где Хр=16сгР/За— коэффициент радиационной теплопроводности, который для «звездных» температур много больше обычного коэффициента молекулярной теплопроводности.

В настоящей главе изложены теоретические основы диффузионного приближения с учетом селективности излучения и анизотропии объемного и поверхностного рассеяния (Л. 29]; проанализировано влияние формы индикатрисы рассеяния на коэффициент диффузии излучения и указаны условия, при которых этот коэффициент принимает простейшие выражения; как частный случай диффузионного приближения рассмотрено приближение радиационной теплопроводности.

5-4. Приближение радиационной теплопроводности

Приближение радиационной теплопроводности является частным случаем диффузионнаго приближения, когда в каждой точке среды имеет место локальное радиационное равновесие. Впервые это приближение было предложено Росселандом {Л. 22, 346] и сформулировано им в виде уравнения (5-4). Это приближение получило большое распространение в астрофизических задачах для исследования переноса излучения в недрах звезд, где оптическая толщина весьма велика и состояние среды и излучения оказываются близкими к локальному радиационному равновесию. В астрофизической и иностранной литературе по теплофизике понятия диффузионного приближения и приближения радиационной теплопроводности довольно часто отождествляют между собой. Россе-ланд в своей работе, впервые сформулировав общее уравнение диффузионного приближения, рассматривал его для частного случая состояния среды и излучения, близкого к термодинамическому равновесию, которое получило название приближения радиационной теплопроводности. Именно для этого приближения им рекомендованы окончательные расчетные формулы (5-2) и (5-4) и дана закономерность осреднения коэффициента поглощения по всем частотам (5-3),

Однако диффузионное приближение является более широким методом по сравнению с приближением радиационной теплопроводности, поскольку оно не исходит из необходимости выполнения условия локального радиационного равновесия. Поэтому оба эти приближения не следует смешивать. Приближение радиационной теплопроводности рассмотрено и использовано в [Л. 17, 22, 29, 64, 70, 86, 346].

Проанализируем приближение радиационной теплопроводности для спектрального и полного излучения с учетом процесса рассеяния при произвольном распределении интенсивности излучения по различным направлениям. При этом в отличие от Росселанда не будем делать допущения о приближении к термодинамическому равновесию между средой и излучением.

а) Приближение радиационной теплопроводности для спектрального излучения. Поскольку в приближении радиационной теплопроводности среда предполагается находящейся в состоянии локального радиационного равновесия, то уравнение энергии позволяет установить однозначную связь между температурой среды и объемной плотностью излучения в каждой точке рассматриваемого объема. Действительно, полагая для спектрального излучения наличие локального радиационного равновесия в среде (т]рез v = 0), на основании уравнения энергии (3-21) получаем:

Подставив cJJ4 из (5-61) в (5-34), получим выражение для вектора спектрального потока излучения в приближении радиационной теплопроводности: