Il semplice atto di far bollire l'acqua è una delle più antiche invenzioni dell'umanità, e ancora centrale per molte delle tecnologie odierne, dalle caffettiere alle centrali nucleari. Eppure questo processo apparentemente semplice presenta complessità che hanno a lungo sfidato la piena comprensione.

Ora, i ricercatori del MIT hanno trovato un modo per analizzare uno dei problemi più spinosi che affliggono gli scambiatori di calore e altre tecnologie in cui l'acqua bollente gioca un ruolo centrale:come prevedere, e prevenire, un evento pericoloso e potenzialmente catastrofico chiamato crisi bollente. Questo è il punto in cui si formano così tante bolle su una superficie calda che si fondono in un foglio continuo di vapore che blocca ogni ulteriore trasferimento di calore dalla superficie all'acqua.

Tali eventi possono causare indebolimento o fusione, quindi le centrali nucleari sono progettate per funzionare a livelli molto inferiori a quelli che potrebbero innescare una crisi bollente. Questa nuova comprensione potrebbe consentire a tali impianti di operare in sicurezza a livelli di produzione più elevati riducendo i margini operativi necessari.

I nuovi risultati sono presentati oggi sulla rivista Lettere di revisione fisica in un articolo dell'assistente professore di ingegneria nucleare Matteo Bucci e degli studenti laureati Limiao Zhang e Jee Hyun Seong.

"È un fenomeno molto complesso, "Bucci dice, e sebbene sia stato "studiato per oltre un secolo, è ancora molto controverso." Anche nel 21° secolo, lui dice, "si parla di rivoluzione energetica, una rivoluzione informatica, transistor su nanoscala, tutti i tipi di grandi cose. Ancora, ancora in questo secolo, e forse anche nel prossimo secolo, questi sono tutti limitati dal trasferimento di calore."

Man mano che i chip dei computer diventano più piccoli e più potenti, Per esempio, alcuni processori ad alte prestazioni potrebbero richiedere il raffreddamento a liquido per dissipare il calore che può essere troppo intenso per le normali ventole di raffreddamento. (Alcuni supercomputer, e persino alcuni PC da gioco di fascia alta, usano già l'acqua pompata per raffreddare i loro trucioli). Allo stesso modo, le centrali elettriche che producono la maggior parte dell'elettricità mondiale, siano combustibili fossili, solare, o centrali nucleari, principalmente producono energia generando vapore per far girare le turbine.

In una centrale nucleare, l'acqua viene riscaldata dalle barre di combustibile, che si riscaldano attraverso reazioni nucleari. La diffusione del calore attraverso le superfici metalliche verso l'acqua è responsabile del trasferimento di energia dal combustibile alla turbina di generazione, ma è anche la chiave per evitare che il carburante si surriscaldi e possa portare a una fusione. In caso di crisi bollente, la formazione di uno strato di vapore che separa il liquido dal metallo può impedire il trasferimento del calore, e può portare a un rapido surriscaldamento.

A causa di tale rischio, i regolamenti richiedono che gli impianti nucleari operino a flussi di calore che non superano il 75% del livello noto come flusso di calore critico (CHF), che è il livello in cui potrebbe innescarsi una crisi bollente che potrebbe danneggiare componenti critici. Ma poiché le basi teoriche del CHF sono poco conosciute, questi livelli sono stimati in modo molto conservativo. È possibile che quegli impianti possano funzionare a livelli di calore più elevati, producendo così più energia dallo stesso combustibile nucleare, se il fenomeno è compreso con maggiore certezza, dice Bucci.

Una migliore comprensione dell'ebollizione e del CHF è "un problema così difficile perché è molto non lineare, " e piccoli cambiamenti nei materiali o nelle strutture superficiali possono avere grandi effetti, lui dice. Ma ora, grazie a strumenti migliori in grado di catturare i dettagli del processo negli esperimenti di laboratorio, "siamo stati effettivamente in grado di misurare e tracciare un grafico del fenomeno con la risoluzione spaziale e temporale richiesta" per essere in grado di capire come inizia una crisi bollente in primo luogo.

Si scopre che il fenomeno è strettamente correlato al flusso di traffico in una città, o al modo in cui un focolaio di malattia si diffonde attraverso una popolazione. Essenzialmente, è un problema del modo in cui le cose si raggruppano insieme.

Quando il numero di auto in una città raggiunge una certa soglia, c'è una maggiore

probabilità che si accumuli in determinati luoghi e causi un ingorgo. E, quando i portatori di malattie entrano in luoghi affollati come aeroporti o auditorium, aumentano le possibilità di scatenare un'epidemia. I ricercatori hanno scoperto che la popolazione di bolle su una superficie riscaldata segue uno schema simile; al di sopra di una certa densità di bolle, aumenta la probabilità che le bolle si accumulino insieme, unire, e formare uno strato isolante su quella superficie.

"La crisi bollente è essenzialmente il risultato di un accumulo di bolle che si fondono e si fondono tra loro, che porta al cedimento della superficie, " lui dice.

A causa delle somiglianze, Bucci dice, "possiamo prendere ispirazione, adottare lo stesso approccio per modellare l'ebollizione utilizzato per modellare gli ingorghi, " e quei modelli sono già stati ben esplorati. Ora, sulla base sia di esperimenti che di analisi matematiche, Bucci e i suoi coautori sono stati in grado di quantificare il fenomeno e trovare modi migliori per stabilire quando si verificherà l'inizio di tali fusioni di bolle. "Abbiamo dimostrato che utilizzando questo paradigma, possiamo prevedere quando si verificherà la crisi bollente, " in base ai modelli e alla densità delle bolle che si stanno formando.

La tessitura su scala nanometrica della superficie gioca un ruolo importante, l'analisi mostra, e questo è uno dei numerosi fattori che potrebbero essere utilizzati per apportare modifiche che potrebbero aumentare il CHF, e quindi potenzialmente portare a un trasferimento di calore più affidabile, sia per le centrali elettriche, raffreddamento a liquido per chip di computer avanzati, o molti altri processi in cui il trasferimento di calore è un fattore cruciale.

"Possiamo usare queste informazioni non solo per prevedere la crisi bollente, ma anche per esplorare soluzioni, cambiando la superficie di ebollizione, per ridurre al minimo l'interazione tra le bolle, " dice Bucci. "Stiamo usando questa comprensione per migliorare la superficie, in modo da poter controllare ed evitare l'"inceppamento delle bolle"."

Se questa ricerca consente cambiamenti che potrebbero consentire un funzionamento sicuro delle centrali nucleari a flussi di calore più elevati, cioè, la velocità con cui dissipano il calore, rispetto a quello attualmente consentito, l'impatto potrebbe essere significativo. "Se puoi dimostrarlo manipolando la superficie, puoi aumentare il flusso di calore critico dal 10 al 20 percento, quindi aumenti la potenza prodotta della stessa quantità, su scala globale, facendo un uso migliore del carburante e delle risorse che già ci sono, "dice Bucci.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.