研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種實(shí)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(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)堆鋯合金樣品。在實(shí)時(shí)反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)中，左側(cè)未鍍膜的樣品被CRUD覆蓋，而兩個(gè)鍍膜的樣品在進(jìn)入時(shí)就干凈了。這項(xiàng)研究為防止核工業(yè)腐蝕提供了一個(gè)新穎方法。相關(guān)研究成果發(fā)表在Langmuir上。

核電廠運(yùn)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(jì)60年代開始，這個(gè)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(huì)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(fù)責(zé)人Michael Short說。“到目前為止，我們所做的每項(xiàng)測(cè)試都看起來不錯(cuò)。”

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(huì)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(jì)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(tuán)隊(duì)的研究超出了理論范圍，并提出了防污材料的特定設(shè)計(jì)原則。

美國最大的發(fā)電商之一Exelon公司對(duì)麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的防污劑設(shè)計(jì)的可行性很有信心，已經(jīng)開始計(jì)劃在一個(gè)商業(yè)反應(yīng)堆中進(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(dāng)時(shí)他加入了輕水堆高級(jí)模擬聯(lián)盟(CASL)，該聯(lián)盟由美國能源部贊助，旨在改善當(dāng)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(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析，肖特和他的團(tuán)隊(duì)開始懷疑一個(gè)被忽視因素：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。

然后，一個(gè)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(gè)有50年歷史的方程 ， 那是他在查閱材料科學(xué)文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)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(dòng)，就沒有任何東西會(huì)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(gè)答案在文獻(xiàn)中坐了50年，但沒有人以這種方式認(rèn)識(shí)到它”

一種設(shè)計(jì)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(jiǎn)單而統(tǒng)一的方法計(jì)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(shí)彎曲量的指標(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)材料進(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，而在折射光度上相距較遠(yuǎn)的材料會(huì)粘在一起。

在研究結(jié)束時(shí)，Short的團(tuán)隊(duì)不僅提出了防污材料設(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(jiān)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(shí)驗(yàn)室的苛刻環(huán)境中試驗(yàn)，已經(jīng)產(chǎn)生了一些滿足大多數(shù)嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際反應(yīng)堆中生長(zhǎng)。這項(xiàng)測(cè)試預(yù)計(jì)將于明年開始在Exelon商業(yè)核電站進(jìn)行。

肖特說：“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)堆進(jìn)行測(cè)試。在不同的時(shí)間間隔，會(huì)定期檢查，如果一切正常，測(cè)試燃料棒是干凈的，而隔壁的對(duì)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。