Quando gli intasamenti e la corrosione minacciano i sistemi idrici e di riscaldamento residenziali, i proprietari di abitazione possono semplicemente chiamare un idraulico per serpeggiare uno scarico o sostituire un tubo. Gli operatori delle centrali nucleari non sono così fortunati. Particelle di ossido metallico, noto collettivamente come CRUD nel mondo dell'energia nucleare, accumularsi direttamente sulle barre di combustibile del reattore, ostacolando la capacità della pianta di generare calore. Questi foulant costano all'industria dell'energia nucleare milioni di dollari all'anno.

Questo problema ha assillato l'industria dell'energia nucleare sin dal suo inizio negli anni '60, e gli scienziati hanno solo trovato modi per mitigare, ma non curare, Accumulo di CRUD. Ma questo potrebbe essere sul punto di cambiare. "Crediamo di aver risolto il problema del CRUD, "dice Michael Short, Classe '42 Professore Associato di Scienze e Ingegneria Nucleare (NSE), e responsabile della ricerca. "Ogni test che abbiamo fatto finora è sembrato buono."

In un recente articolo pubblicato online da Langmuir , una rivista dell'American Chemical Society, I colleghi di Short e del MIT descrivono il loro lavoro, che offre un nuovo approccio alla progettazione di materiali resistenti alle incrostazioni da utilizzare nei reattori nucleari e in altri sistemi energetici su larga scala. Coautori del paper sono Cigdem Toparli, un postdoc in NSE al momento dello studio; studenti laureati NSE Max Carlson e Minh A. Dinh; e sentina Yildiz, professore di scienze e ingegneria nucleare e di scienza e ingegneria dei materiali.

La ricerca del team va oltre la teoria e definisce principi di progettazione specifici per i materiali anti-foulant. "Un aspetto importante del nostro progetto era quello di trovare una soluzione pratica al problema di oggi:niente pasticci per la generazione dei nostri figli, ma qualcosa che deve funzionare con tutto ciò che esiste ora, "dice Corto.

Exelon, uno dei più grandi generatori di energia della nazione, è abbastanza fiducioso nella fattibilità dei progetti anti-foulant del team del MIT che ha iniziato a fare piani per convalidarli in uno dei suoi reattori commerciali. Nel settore altamente regolamentato dell'energia nucleare, il tempo trascorso dall'idea di ricerca all'applicazione potrebbe stabilire un record di velocità.

Le forze dietro CRUD

Short indaga sul CRUD dal 2010, quando è entrato a far parte del Consorzio per la simulazione avanzata dei reattori ad acqua leggera (CASL), un progetto sponsorizzato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per migliorare le prestazioni dei reattori nucleari attuali e futuri. Come postdoc al MIT, ha sviluppato modelli informatici di CRUD.

"Questo mi ha fatto leggere molto sul CRUD, e come le diverse forze di superficie possono far aderire le cose l'una all'altra, come i prodotti di corrosione che circolano nel fluido refrigerante che si accumulano sulle barre di combustibile, " dice Short. "Volevo imparare come si accumula in primo luogo, e forse trovare un modo per prevenire effettivamente la formazione di CRUD."

Verso quel fine, ha installato una camera di ebollizione fatta di pezzi di ricambio nel seminterrato dell'edificio NW22 per vedere quali materiali si attaccavano l'uno all'altro, e ha ricevuto una piccola sovvenzione per imparare a testare la crescita di CRUD nelle condizioni dei reattori in Giappone. Lui e i suoi studenti hanno costruito un circuito di flusso (un modo per ricreare le condizioni del reattore senza radiazioni), e ha condotto una serie di esperimenti per vedere quali materiali incoraggiavano, e che scoraggiava, la crescita del CRUD.

I ricercatori hanno individuato una serie di forze di superficie come candidate per causare la viscosità dietro CRUD:legame idrogeno, magnetismo, cariche elettrostatiche. Ma attraverso la sperimentazione e l'analisi computazionale, Short e la sua squadra iniziarono a sospettare un contendente trascurato:le forze di van der Waals. Scoperto dal fisico olandese del XIX secolo Johannes Diderik van der Waals, queste sono forze elettriche deboli che spiegano parte dell'attrazione delle molecole l'una verso l'altra in un liquido, solidi, e gas.

"Potremmo escludere altre forze di superficie per semplici ragioni, ma una forza che non potevamo escludere era van der Waals, "dice Corto.

Poi è arrivata una svolta importante:Carlson ha ricordato un'equazione di 50 anni sviluppata dal fisico russo Evgeny Lifshitz che si era imbattuto durante una revisione della letteratura sulla scienza dei materiali.

"La teoria di Lifshitz descriveva l'entità delle forze di van der Waals in base alle vibrazioni degli elettroni, dove gli elettroni in diversi materiali vibrano a diverse frequenze e a diverse ampiezze, come le cose che galleggiano nell'acqua di raffreddamento, e materiali per barre di combustibile, " descrive Short. "La sua matematica ci dice se i materiali solidi hanno le stesse vibrazioni elettroniche dell'acqua, niente si attaccherà a loro."

Questo, dice Breve, è stato il momento "Aha" della squadra. Se rivestimento, lo strato esterno di barre di combustibile, potrebbe essere rivestito con un materiale che corrispondesse allo spettro di frequenza elettronico dell'acqua di raffreddamento, quindi queste particelle scivolerebbero proprio oltre la barra di combustibile. "La risposta è rimasta nella letteratura per 50 anni, ma nessuno l'ha riconosciuto in questo modo, "dice Corto.

"Questo era un vero pensiero fuori dagli schemi, "dice Chris Stanek, un direttore tecnico presso il Los Alamos National Laboratory impegnato nella modellazione e simulazione avanzata dell'energia nucleare, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Era un non convenzionale, Approccio del MIT:fare un passo indietro e guardare alla fonte del fouling, to find something no one else had in the literature, and then getting straight to the physical underpinnings of CRUD."

One design principle

The researchers got to work demonstrating that van der Waals was the single most important surface force behind the stickiness of CRUD. In search of a simple and uniform way of calculating materials' molecular frequencies, they seized on the refractive light index—a measure of the amount light bends as it passes through a material. Shining calibrated LED light on material samples, they created a map of the optical properties of nuclear fuel and cladding materials. This enabled them to rate materials on a stickiness scale. Materials sharing the same optical properties, according to the Lifshitz theory, would prove slippery to each other, while those far apart on the refractive light scale would stick together.

By the end of their studies, as the paper describes, Short's team had not only come up with a design principle for anti-foulant materials but a group of candidate coatings whose optical properties made them a good (slippery) match for coolant fluids. But in actual experiments, some of their coatings didn't work. "It wasn't enough to get the refractive index right, " says Short. "Materials need to be hard, resistant to radiation, idrogeno, and corrosion, and capable of being fabricated at large scale."

Additional trials, including time in the harsh environment of MIT's Nuclear Reactor Laboratory, have yielded a few coating materials that meet most of these tough criteria. The final step is determining if these materials can stop CRUD from growing in a real reactor. It is a test with a start date expected next year, at an Exelon commercial nuclear plant.

"Fuel rods coated with antifoulant materials will go into an operating commercial reactor putting power on the grid, " says Short. "At different intervals, they come out for examination, and if all goes right, our rods are clean and the ones next door are dirty, " says Short. "We could be one long test away from stopping CRUD in this type of reactor, and if we eliminate CRUD, we've wiped away a scourge of the industry."