當(dāng)木塞和腐蝕威脅到住宅的供水和供暖系統(tǒng)時(shí)，房主可以簡(jiǎn)單地打電話給水管工給排水管打蛇或更換管道。核電廠的運(yùn)營(yíng)商并非如此幸運(yùn)。金屬氧化物顆粒(在核能世界中統(tǒng)稱為CRUD)直接堆積在反應(yīng)堆的燃料棒上，從而阻礙了核電廠產(chǎn)生熱量的能力。這些污垢每年使核能行業(yè)損失數(shù)百萬(wàn)美元。

自1960年代開(kāi)始以來(lái)，這個(gè)問(wèn)題就困擾著核能工業(yè)，科學(xué)家們只找到了減輕但未治愈CRUD堆積的方法。但這可能會(huì)改變。“我們相信我們已經(jīng)解決了CRUD問(wèn)題，” 42歲的核科學(xué)與工程(NSE)副教授和研究負(fù)責(zé)人Michael Short說(shuō)。“到目前為止，我們所做的每項(xiàng)測(cè)試都看起來(lái)不錯(cuò)。”

肖特和麻省理工學(xué)院的同事在最近由美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)期刊Langmuir在線發(fā)表的一篇論文中描述了他們的工作，這為設(shè)計(jì)用于核反應(yīng)堆和其他大規(guī)模能源系統(tǒng)的耐污染材料提供了一種新穎的方法。論文的共同作者是研究之時(shí)NSE的博士后Cigdem Toparli。NSE研究生Max Carlson和Minh A. Dinh;以及原子科學(xué)與工程學(xué)和材料科學(xué)與工程學(xué)教授Bilge Yildiz 。

該團(tuán)隊(duì)的研究超出了理論范圍，并提出了防污材料的具體設(shè)計(jì)原則。肖特說(shuō)：“我們項(xiàng)目的一個(gè)重要方面是為今天的問(wèn)題提供切實(shí)可行的解決方案，這對(duì)于我們的子孫后代來(lái)說(shuō)，并不是天上掉餡餅，而是必須與現(xiàn)在存在的一切相適應(yīng)。”

作為美國(guó)最大的發(fā)電機(jī)之一，?？巳?Exelon)對(duì)MIT團(tuán)隊(duì)的防污設(shè)計(jì)的可行性充滿了信心，以至于它已開(kāi)始制定計(jì)劃在其商用反應(yīng)堆之一中對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。在受到嚴(yán)格監(jiān)管的核能領(lǐng)域，從研究構(gòu)想到應(yīng)用的時(shí)間可以創(chuàng)下速度記錄。

CRUD背后的力量

自2010年以來(lái)，肖特一直在研究CRUD，當(dāng)時(shí)他加入了輕水堆高級(jí)仿真聯(lián)盟(CASL)，該聯(lián)盟由美國(guó)能源部贊助，旨在改善當(dāng)前和未來(lái)核反應(yīng)堆的性能。作為麻省理工學(xué)院的博士后，他開(kāi)發(fā)了CRUD的計(jì)算機(jī)模型。

肖特說(shuō)：“這讓我讀了很多關(guān)于CRUD的文章，以及不同的表面力如何使物體相互粘連，例如在冷卻液中循環(huán)的腐蝕產(chǎn)物積聚在燃料棒上。” “我想首先了解它是如何累積的，也許可以找到一種真正防止CRUD形成的方法。”

為此，他在NW22大樓地下室建立了一個(gè)由零件制成的沸騰室，以查看哪些材料相互粘連，并獲得一筆小額贈(zèng)款，以學(xué)習(xí)如何在日本的反應(yīng)堆條件下測(cè)試CRUD的生長(zhǎng)。他和他的學(xué)生建立了一個(gè)流動(dòng)環(huán)路(一種在沒(méi)有輻射的情況下重新建立反應(yīng)堆條件的方法)，并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，以查看哪些材料鼓勵(lì)了CRUD的生長(zhǎng)，哪些阻止了CRUD的生長(zhǎng)。

研究人員將大量表面力作為導(dǎo)致CRUD背后粘性的候選物：氫鍵，磁性，靜電荷。但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析，肖特和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始懷疑一個(gè)被忽視的競(jìng)爭(zhēng)者：范德華力。這些是弱電，由19世紀(jì)的荷蘭物理學(xué)家約翰內(nèi)斯·狄德瑞克·范德華(Johannes Diderik van der Waals)發(fā)現(xiàn)，它們是液體，固體和氣體中分子相互吸引的部分原因。

肖特說(shuō)：“出于簡(jiǎn)單的原因，我們可以排除其他表面力，但不能排除的一種力是范德華斯。”

然后是一個(gè)重大突破：卡爾森回憶起俄羅斯物理學(xué)家葉夫根尼·李夫希茨(Evgeny Lifshitz)建立的已有50年歷史的方程式，該方程式是他在回顧材料科學(xué)文獻(xiàn)時(shí)遇到的。

“ Lifshitz的理論根據(jù)電子振動(dòng)描述了范德華力的大小，其中不同材料中的電子以不同的頻率和振幅振動(dòng)，例如漂浮在冷卻劑水中的物質(zhì)和燃料棒材料，” Short說(shuō)道。“他的數(shù)學(xué)方法告訴我們，固體材料是否具有與水相同的電子振動(dòng)，沒(méi)有任何東西會(huì)粘附在它們上面。”

肖特說(shuō)，這是車隊(duì)的“阿哈”時(shí)刻。如果進(jìn)行包覆，則燃料棒的外層可能會(huì)涂有與冷卻水電子頻譜相匹配的材料，那么這些顆粒將直接滑過(guò)燃料棒。肖特說(shuō)：“答案在文學(xué)界坐了五十年，但沒(méi)人能以這種方式認(rèn)識(shí)到它。”

洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory)的技術(shù)主管克里斯·斯坦尼斯(Chris Stanek)說(shuō)：“這是開(kāi)箱即用的真實(shí)想法。” “這是一種非常規(guī)的，麻省理工學(xué)院的方法–退后一步，看看結(jié)垢的根源，找到文獻(xiàn)中沒(méi)有的其他東西，然后直接進(jìn)入CRUD的物理基礎(chǔ)。”

一種設(shè)計(jì)原則

研究人員必須進(jìn)行工作，以證明范德華斯力是CRUD粘性背后唯一最重要的表面力。為了尋找一種簡(jiǎn)單而統(tǒng)一的方法來(lái)計(jì)算材料的分子頻率，他們抓住了折射率-一種衡量光穿過(guò)材料時(shí)彎曲的數(shù)量的指標(biāo)。他們將校準(zhǔn)的LED燈照在材料樣品上，繪制出核燃料和包層材料的光學(xué)特性圖。這使他們能夠根據(jù)粘性等級(jí)對(duì)物料進(jìn)行評(píng)分。根據(jù)Lifshitz理論，共享相同光學(xué)特性的材料會(huì)相互打滑，而在折射光標(biāo)度上相距較遠(yuǎn)的材料會(huì)粘在一起。

如論文所述，在研究結(jié)束時(shí)，Short的團(tuán)隊(duì)不僅提出了防污材料的設(shè)計(jì)原則，而且提出了一組候選涂層，這些涂層的光學(xué)性能使其非常適合(光滑)冷卻液。但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，他們的某些涂層無(wú)法正常工作。肖特說(shuō)：“僅靠正確的折射率還不夠。” “材料必須堅(jiān)硬，抗輻射，抗氫和腐蝕，并能夠大規(guī)模制造。”

包括在麻省理工學(xué)院的核反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)室的嚴(yán)酷環(huán)境中所經(jīng)歷的時(shí)間在內(nèi)的其他試驗(yàn)，已經(jīng)產(chǎn)生了一些可以滿足大多數(shù)嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的涂料。最后一步是確定這些材料是否可以阻止CRUD在實(shí)際反應(yīng)堆中生長(zhǎng)。這項(xiàng)測(cè)試預(yù)計(jì)將于明年開(kāi)始在Exelon商業(yè)核電站進(jìn)行。

肖特說(shuō)：“涂有防污材料的燃料棒將進(jìn)入正在運(yùn)行的商業(yè)反應(yīng)堆，為電網(wǎng)供電。” 肖特說(shuō)：“在不同的時(shí)間間隔，它們會(huì)出來(lái)接受檢查，如果一切正常，我們的魚(yú)竿是干凈的，而隔壁的魚(yú)竿是臟的。” “對(duì)于停止這種類型的反應(yīng)堆中的CRUD來(lái)說(shuō)，可能是一個(gè)漫長(zhǎng)的考驗(yàn)，如果消除CRUD，我們將消滅整個(gè)行業(yè)的禍害。”