Forschungszentrum
Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7096
Measurements of the Thermal
Conductivity of Compressed Beryllium Pebble Beds - EFDA reference:
TW2-TTBB-007a D4
J. Reimann, G. Piazza,
Z. Xu, A. Goraieb, H. Harsch
Abstract
For helium cooled
pebble bed blankets, the description of the thermal-mechanical interaction
between pebble beds and structural material requires the knowledge of the
pebble bed thermal conductivity k as a function of temperature T and
deformation state (pebble bed strain ε). In the frame of the EFDA
Technology Work Programme TW2-TTBB-007a-D4, the measurements of thermal and
mechanical parameters of beryllium pebble beds have been performed in the HECOP
facility in the Forschungszentrum Karlsruhe. This report gives a summary of
previous work on the thermal conductivity k of beryllium pebble beds, describes
the experimental set-up, and presents the new experimental results.
The investigated
pebble beds, consisting of 1mm pebbles, are representative for dense pebble
beds (vibrated after filling, packing factors of ≈ 63.5%). Measurements
were performed at bed temperatures between 200 and 650°C and maximum pebble bed
deformations up to 3.5%.
For this parameter
range, two different correlations for the thermal conductivity k as a function
of pebble bed deformation ε and temperature T are proposed. The first one
is primarily based on measurements but makes use of the conductivity values for
non-deformed pebble beds predicted by the Schlünder Bauer Zehner (SBZ) model:
k(W/(mK)) = 1.81 + 0.0012T(°C) – 5 10-7
T(°C)2 + (9.03 – 1.386 10-3 T(°C)
-7.6 10-6 T(°C)2 +2.1 10-9 T(°C)3)
ε(%). (1)
It is expected that
this correlation predicts also satisfactory values for beryllium pebble beds
with pebble diameters different from 1mm and other packing factors than 63.5%
as long as densified pebble beds are considered.
The second
correlation connects the a priori unknown contact surface ratio ρk2 of the SBZ model with the pebble bed
deformation:
ρk2(1) = 0.0041 ε(%) + 0.0021 ε(%)2
(2)
In combination with
this correlation, the SBZ model can be also applied for compacted pebble beds
consisting of other materials than beryllium.
Finally, another
type of correlation is presented to be used if it shows that swelling due to
irradiation effects results in much larger pebble bed deformations than
mentioned above.
With the present
data on beryllium pebble bed thermal conductivity, the corresponding data on
thermal creep, also obtained in the HECOP facility, and the already existing
data for ceramic breeder pebble beds, a complete set of pebble bed data exists
now, relevant for the begin of reactor life where irradiation effects are still
negligible. Now, calculations of the thermal-mechanical interaction between the
pebble beds and the blanket structure in blanket relevant components could be
started.
Messungen der
thermischen Leitfähigkeit von komprimierten Beryllium-Schüttbetten
Zusammenfassung
Die Beschreibung der
thermomechanischen Wechselwirkung zwischen Schüttbetten und Strukturmaterial in
heliumgekühlten Pebble-Bed Blankets erfordert die Kenntnis der thermischen
Leitfähigkeit k der Schüttbetten als Funktion der Temperatur T und der
Schüttbett-Verformung (Dehnung ε). Im Rahmen des EFDA Technology Work
Programme TW2-TTBB-007a D4 wurden in der HECOP-Versuchseinrichtung des
Forschungszentrums Karlsruhe Messungen der thermischen und mechanischen
Eigenschaften von Beryllium-Schüttbetten durchgeführt. Dieser Bericht gibt
einen Überblick über frühere Arbeiten über die thermische Leitfähigkeit von
Beryllium-Schüttbetten, beschreibt den experimentellen Versuchsaufbau und
stellt die neuen Ergebnisse vor.
Die Schüttbetten
bestehen aus 1mm Kügelchen und sind repräsentativ für dichte Schüttbetten (nach
Einfüllen vibriert; Füllgrade ≈ 63.5%). Die Messungen wurden in einem
Temperaturbereich von 200 bis 650°C und maximalen Schüttbett-Verformungen bis ≈
3,5% durchgeführt.
Für diesen Parameterbereich werden zwei verschiedene Korrelationen für die thermische Leitfähigkeit k als Funktion der Schüttbett-Deformation und -Temperatur vorgeschlagen. Die erste basiert im wesentlichen auf Messungen unter Benutzung des Leitfähigkeitswertes für undeformierte Schüttbetten gemäß dem Schlünder Bauer Zehner (SBZ) Modell:
k(W/(mK)) = 1.81 + 0.0012T(°C) – 5 10-7 T(°C)2
+ (9.03 – 1.386 10-3 T(°C)
-7.6 10-6 T(°C)2 +2.1 10-9 T(°C)3)
ε(%). (1)
Es wird erwartet, dass diese Korrelation auch zufriedenstellende Werte ergeben sollte für Beryllium-Schüttbetten mit anderen Pebble Durchmessern und Füllgraden als 1mm bzw. 63.5%, solange dichte Schüttungen vorliegen.
Die zweite
Korrelation verknüpft das a priori unbekannte Kontaktflächenverhältnis ρk2
des SBZ Modells mit der Schüttbett-Deformation:
ρk2(1) = 0.0041 ε(%) + 0.0021 ε(%)2
(2)
In Kombination mit
dieser Korrelation kann das SBZ Modell auch für kompaktierte Schüttbetten
angewandt werden, die aus anderen Materialien als Beryllium bestehen.
Schließlich wurde
noch ein Typ von Beziehungen angegeben, für den Fall dass Schwellen von
Beryllium aufgrund von Bestrahlungseffekten sehr viel größere
Schüttbett-Deformationen bewirkt als oben aufgeführt.
Mit den jetzt zur
Verfügung stehenden Daten über thermische Leitfähigkeit von
Beryllium-Schüttbetten, den entsprechenden Daten zum thermischen Kriechen, die
ebenfalls in der HECOP-Anlage gewonnen wurden und den bereits bestehenden Daten
für keramische Brutmaterial-Schüttbetten liegt ein vollständiger Datensatz vor,
relevant für den Beginn des Reaktorbetriebs, für den Bestrahlungseffekte noch
vernachlässigbar sind.
Mit diesen Daten
kann jetzt die Beschreibung der thermomechanischen Wechselwirkung zwischen
Schüttbetten und Strukturmaterial in blanketrelevanten Komponenten in Angriff
genommen werden.
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