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The thermal conductance of uranium dioxide/stainless steel interfaces

1963; Elsevier BV; Volume: 6; Issue: 5 Linguagem: Inglês

10.1016/0017-9310(63)90101-7

1879-2189

A. C. Rapier, Timothy M. Jones, J.E. McIintosh,

Hydrogen embrittlement and corrosion behaviors in metals

The thermal conductance of uranium dioxide/stainless steel interfaces has been investigated in a disc-type apparatus under vacuum and with different interface gases (helium, argon, neon), and ranges of surface roughness ([11–1417] × 10−6 cm, arithmetical mean height measured from Talysurf profile records), interface gas pressure (7–1226 mm Hg), contact pressure (0–570 lb/in2), mean interface temperature (55–410°C), and heat flux (1–5.5 cal/s cm2). To obtain consistent results, the contact faces of the 2-cm diameter specimens were lapped optically flat and then roughened to a controlled amount. The thermal conductance is the sum of the solid conductance through the small areas of true contact, and the conductance through the gas in the interface (thermal radiation made a negligible contribution). The experimental values obtained for the solid conductance were of the same order as that predicted by the theory of Çetinkale and Fishenden. It was found, as expected, that the solid conductance between uranium dioxide and stainless steel was very low, owing to the hardness of the materials and the poor thermal conductivity of the uranium dioxide. Predicted values of the gas conductance, based on several simple geometrical models of the roughness, and allowing for accommodation effects in collisions between the gas molecules and the surfaces, have been compared with the present experimental results and with other published data. In nearly all cases the measured conductance is within a factor two of the predicted value, which is considered to represent good agreement in view of the very wide range of variables covered by the data and the inaccuracies inherent in this type of measurement. On a étudié la conduction thermique aux interfaces bioxyde d'uranium/acier inoxydable dans un appareil du type disque, sous vide et avec différents gaz à l'interface (helium, argon, néon), pour les domaines suivants des différents facteurs: rugosité de la surface: 11–1417.10−6 cm, hauteur moyenne arithmétique, mesurée par un analyseur Talysurf—pression du gaz à l'interface: 7–1226 mm Hg—pression de contact: 0–570 lb/in2—température moyenne à l'interface: 55–410°C—flux de chaleur: 1–55 cal/s.cm2. Afin d'obtenir des résultats cohérents, les surfaces de contact des échantillons de 2 cm de diamètre, étaient d'abord rendues optiquement planes, puis rugueuses de façon bien déterminée. La conductibilité thermique est la somme de la conductibilité solide par les petites surfaces de contact et de la conductibilité par la gaz à l'interface (le rayonnement est négligeable). Les valeurs expérimentales obtenues pour la conductibilité par le solide sont du même ordre que celles prévues par la théorie de Çetinkale et Fishenden. On a trouvé, comme prévu, que la conduction par voie solide entre le bioxyde d'uranium et l'acier inoxydable était très faible en raison de la dureté des matériaux et de la faible conductibilité thermique du bioxyde d'uranium. Les valeurs de la conduction par le gaz, calculées d'après des modèles géométriques simples de la rugosité, et en tenant compte des effets d'accommodation lors des collisions entre les molécules de gaz et les surfaces, ont été comparées aux résultats expérimentaux actuels et à d'autres données publiées. Dans la presque totalité des cas, la conductibilité mesurée est dans un rapport inférieur à 2 avec la valeur calculée, ce que l'on considère comme un bon accord, étant donné le très grand domaine de variation des paramètres couvert par les expériences et l'imprécision inhérente à ce type de mesures. Die Wärmeleitung durch die Berührungsfläche Uranhioxyd/rostfreier Stahl wurde in einer Scheibenapparatur untersucht, sowohl unter Vakuum als auch mit verschiedenen Zwischengasen (Helium, Argon, Neon). Variiert wurden: die Rauhigkeit (11–1417) × 10−6 cm, als arithmetisch gemittelte Höhe aus Talysurf Profilkurven ausgemessen; der Druck des Zwischengases (7–1226 mm Hg); der Anpressdruck (0–40 kp/cm2); die mittlere Zwischentemperatur (55–410°C) und die Wärmestromdichte (1−23 W/cm2). Um konsistente Ergebnisse zu erreichen, wurden die Kontaktflächen der Probestücke vom Durchmesser 2 cm optisch eben geläppt und dann auf den vorgeschriebenen Betrag angerauht. Die Wärmeleitfähigkeit ergibt sich als Summe der Leitfähigkeit der Fest-körper an den kleinen, unmittelbaren Berührungsstellen und der Leitfähigkeit des Gases in der Zwischenschicht (der Beitrag der Wärmestrahlung ist vemachlässigbar). Die Versuchsergebnisse für die Leitfähigkeit der Festkörper waren von gleicher Grössenordnung wie die nach der Theorie von Çetinkale und Fishenden ermittelten Werte. Wie erwartet erwies sich der Anteil der Festkörperleitung zwischen Urandioxyd und rostfreiem Stahl als sehr gering wegen der Härte der Materialien und der kleinen Wärmeleitfähigkeit des Urandioxyds. Berechnete Werte der Leitfähigkeit des Gases basieren auf verschiedenen einfachen geometrischen Modellen für die Rauhigkeit unter Berücksichtigung von Akkomodationseffekten beim Aufprall der Gasmoleküle auf die Oberflächen. Diese Werte wurden mit vorliegenden Versuchsergebnissen und anderen Veröffentlichungen verglichen. In nahezu allen Fällen unterscheidet sich die gemessene Leitfähigkeit von der berechneten um weniger als den Faktor zwei, was als gute Übereinstimmung angesehen wird im Hinblick auf den grossen Bereich der betrachteten Variablen und die dem Messverfahren anhaftenden Ungenauigkeiten.