研究人員已經(jīng)設(shè)計出一種實用的解決方案，用于防止核系統(tǒng)中的腐蝕堆積。圖像顯示了帶有和不帶有耐CRUD涂層的標準反應(yīng)堆鋯合金樣品。在實時反應(yīng)堆實驗中，左側(cè)未鍍膜的樣品被CRUD覆蓋，而兩個鍍膜的樣品在進入時就干凈了。這項研究為防止核工業(yè)腐蝕提供了一個新穎方法。相關(guān)研究成果發(fā)表在Langmuir上。

核電廠運行過程中金屬氧化物顆粒(在核能界統(tǒng)稱為CRUD)經(jīng)常直接堆積在反應(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)百萬美元。

自20世紀60年代開始，這個問題就困擾著核能工業(yè)，科學(xué)家們只找到了減輕但未徹底解決CRUD堆積方法。但這可能會改變。“我們相信我們已經(jīng)破解了CRUD問題，” 42歲的核科學(xué)與工程(NSE)副教授和研究負責(zé)人Michael Short說。“到目前為止，我們所做的每項測試都看起來不錯。”

肖特和麻省理工學(xué)院的同事在最近由美國化學(xué)學(xué)會雜志的Langmuir在線發(fā)表的一篇論文中描述了他們的研究工作，該工作為設(shè)計用于核反應(yīng)堆和其他大規(guī)模能源系統(tǒng)的耐污垢材料提供了一種新穎方法。

該團隊的研究超出了理論范圍，并提出了防污材料的特定設(shè)計原則。

美國最大的發(fā)電商之一Exelon公司對麻省理工學(xué)院團隊的防污劑設(shè)計的可行性很有信心，已經(jīng)開始計劃在一個商業(yè)反應(yīng)堆中進行驗證。在受到嚴格監(jiān)管的核能領(lǐng)域，從研究構(gòu)想到應(yīng)用的時間可以創(chuàng)下新記錄。

CRUD背后的力量

肖特自2010年以來就一直在研究CRUD，做了大量關(guān)于CRUD的研究工作。當時他加入了輕水堆高級模擬聯(lián)盟(CASL)，該聯(lián)盟由美國能源部贊助，旨在改善當前和未來核反應(yīng)堆性能。作為麻省理工學(xué)院的博士后，他開發(fā)了CRUD的計算機模型。

研究人員將大量表面力作為導(dǎo)致CRUD背后粘性的候選因素：氫鍵，磁性，靜電荷。但是通過實驗和計算分析，肖特和他的團隊開始懷疑一個被忽視因素：范德華力。這些是弱電，由19世紀的荷蘭物理學(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。

然后，一個重大的突破出現(xiàn)了。Carlson回憶起俄羅斯物理學(xué)家Evgeny Lifshitz開發(fā)的一個有50年歷史的方程 ， 那是他在查閱材料科學(xué)文獻時發(fā)現(xiàn)的。

“ Lifshitz的理論根據(jù)電子振動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，例如漂浮在冷卻劑水中的物質(zhì)和燃料棒材料，” Short說道。“他的數(shù)學(xué)方法告訴我們，固體材料如果具有與水相同的電子振動，就沒有任何東西會粘附在它們上面。”

肖特說，如果在燃料棒的外層涂上一種與冷卻水的電子頻率譜相匹配的材料，那么這些顆粒將直接滑過燃料棒。肖特說：“這個答案在文獻中坐了50年，但沒有人以這種方式認識到它”

一種設(shè)計原則

研究人員開始著手證明范德華斯力是CRUD粘性背后最重要的單一表面力量。為了尋找一種簡單而統(tǒng)一的方法計算材料的分子頻率，他們從折射率考慮，這是一種衡量光穿過材料時彎曲量的指標。他們將校準的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)粘性等級對材料進行評分。根據(jù)Lifshitz理論，共享相同光學(xué)特性的材料會相互打滑，而在折射光度上相距較遠的材料會粘在一起。

在研究結(jié)束時，Short的團隊不僅提出了防污材料設(shè)計原則，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。但是在實際實驗中，他們的某些涂層并沒有發(fā)揮作用。肖特說：“僅靠正確的折射率還不夠。” “材料必須堅硬，抗輻射，抗腐蝕，并能夠大規(guī)模制造。”

通過在麻省理工學(xué)院的核反應(yīng)堆實驗室的苛刻環(huán)境中試驗，已經(jīng)產(chǎn)生了一些滿足大多數(shù)嚴格標準的涂層材料。最后一步是確定這些材料是否可以阻止CRUD在實際反應(yīng)堆中生長。這項測試預(yù)計將于明年開始在Exelon商業(yè)核電站進行。

肖特說：“涂有防污材料的燃料棒將進入正在運行的商業(yè)反應(yīng)堆進行測試。在不同的時間間隔，會定期檢查，如果一切正常，測試燃料棒是干凈的，而隔壁的對照組是被腐蝕了，就證明方法的可行性。該研究有助于從根本上解決核反應(yīng)堆燃料組件棒腐蝕問題。