Thermophysical Properties of $UO_2$ Fuel Materials

Flash Method로서 열에 관련된 물리적인 성질(밀도, 정압비열 또는 열확산 계수등)을 측정할 수 있는데 이 방법을 이용하여 핵연료의 열화산 계수를 상온(300k)으로부터 고온(1400 K)까지 측정하였으며 정압비열은 시차열용량법 (Differential Scanning Calorimeter)에 의하여 상온에서부터 500k까지 측정하였고 열전도 계수는 열확산 계수, 정압비열 그리고 핵연료의 밀도로부터 계산하였다. 본 연구의 결과는 낮은 온도(500k 이하)에서는 불순물의 정도(Impurity Level)에 따라서 열전도 계수가 크게 달라지기 때문에 중요시되지만 높은 온도(1000k 이상)에서는 불순물의 정도에 따른 열전도 계수의 변화가 근소함으로 그의 존재유무가 비교적 중요시되지 않는 Dielectric Material의 보편적인 경향과 완전히 일치하였다. Gd$_2$O$_3$를 첨가한 다수의 $UO_2$ Sample들에 대한 열확산 계수를 상온에서 측정하여 비교함으로써 이것을 재확인하였다.

A flash method for measuring the unknown thermal property (the density, specific heat, or thermal diffusivity could be chosen as unknown) is described. The thermal diffusivity of UO$_2$ fuel samples is obtained from room temperature (300 K) to high temperature (1400 K). The specific heat is measured using a commercially available differential scanning calorimeter from room temperature to 500 K. The thermal conductivity of UO$_2$ fuel samples is calculated from the density, thermal diffusivity, and specific heat at constant pressure. The present results are in complete agreement with the usual trends for the thermal conductivity of dielectric materials, in which impurity levels are very important at low temperatures but become relatively unimportant at high temperatures. In addition, the thermal diffusivity values at room temperature are reexamined by measuring the thermal diffusivity of several UO$_2$ fuel samples with same level of doped Gd$_2$O$_3$.