Questa illustrazione in vista frontale mostra i meccanismi su microscala nel quadro di ebollizione del flusso. Ogni cerchio rappresenta l'impronta di una bolla sulla superficie riscaldata, che è suddiviso in un microstrato e regioni di area secca. Credit:Emilio Baglietto
Gli ingegneri devono gestire un vortice nel cuore dei reattori nucleari operativi. Le reazioni nucleari depositano una straordinaria quantità di calore nelle barre di combustibile, scatenando una frenesia di ebollizione, gorgogliante, ed evaporazione nel fluido circostante. Da questo flusso agitato, gli operatori sfruttano la rimozione del calore.
Alla ricerca di maggiori efficienze nei sistemi nucleari, gli scienziati hanno a lungo cercato di caratterizzare e prevedere la fisica alla base di questi processi di trasferimento di calore, con solo modesto successo.
Ma ora un gruppo di ricerca guidato da Emilio Baglietto, professore associato di scienza e ingegneria nucleare al MIT, ha fatto un passo avanti significativo nel dettagliare questi fenomeni fisici. Il loro approccio utilizza una tecnologia di modellazione chiamata fluidodinamica computazionale (CFD). Baglietto ha sviluppato nuovi strumenti CFD che catturano la fisica fondamentale dell'ebollizione, rendendo possibile tracciare fenomeni di trasferimento di calore in rapida evoluzione su microscala in una gamma di diversi reattori, e per diverse condizioni di esercizio.
"La nostra ricerca apre la prospettiva di migliorare l'efficienza degli attuali sistemi di energia nucleare e di progettare un combustibile migliore per i futuri sistemi di reattori, "dice Baglietto.
Il gruppo, che include Etienne Demarly, un dottorando in scienze e ingegneria nucleare, e Ravikishore Kommajosyula, un dottorando in ingegneria meccanica e informatica, descrive il suo lavoro nel numero dell'11 marzo di Lettere di fisica applicata .
Baglietto, che è arrivato al MIT nel 2011, è responsabile della termoidraulica per il Consorzio per la simulazione avanzata dei reattori ad acqua leggera (CASL), un'iniziativa iniziata nel 2010 per progettare strumenti di modellazione predittiva per migliorare i reattori attuali e di prossima generazione, e garantire la sostenibilità economica dell'energia nucleare come fonte di elettricità.
Al centro del lavoro del CASL di Baglietto è stata la questione del flusso di calore critico (CHF), che "rappresenta una delle grandi sfide per la comunità del trasferimento di calore, " dice. CHF descrive una condizione di ebollizione in cui si verifica un'improvvisa perdita di contatto tra il liquido ribollente, e l'elemento riscaldante, che nel caso dell'industria nucleare è la barra di combustibile nucleare. Questa instabilità può emergere improvvisamente, in risposta a variazioni dei livelli di potenza, Per esempio. Quando l'ebollizione raggiunge una crisi, una pellicola vaporosa copre la superficie del carburante, che poi lascia il posto a macchie secche che raggiungono rapidamente temperature molto elevate.
"Vuoi che le bolle si formino e si allontani dalla superficie, e l'acqua evapora, per togliere il calore, “ spiega Baglietto. “Se diventa impossibile togliere il calore, è possibile che il rivestimento metallico si rompa."
I regolatori nucleari hanno stabilito impostazioni di potenza nella flotta di reattori commerciali i cui limiti superiori sono ben al di sotto dei livelli che potrebbero innescare CHF. Ciò ha significato far funzionare i reattori al di sotto della loro potenziale produzione di energia.
"Vogliamo consentire la massima bollitura possibile senza raggiungere CHF, " dice Baglietto. "Se potessimo sapere in ogni momento quanto siamo lontani da CHF, potremmo operare solo dall'altra parte, e migliorare le prestazioni dei reattori."
Raggiungere questo, dice Baglietto, richiede una migliore modellazione dei processi che portano a CHF. "I modelli precedenti erano basati su ipotesi intelligenti, perché era impossibile vedere cosa stesse effettivamente succedendo sulla superficie dove avveniva l'ebollizione, e poiché i modelli non tengono conto di tutta la fisica che guida CHF, "dice Baglietto.
Così ha deciso di creare un completo, rappresentazione ad alta fedeltà dei processi di trasferimento di calore bollente fino al punto di CHF. Ciò significava creare modelli fisicamente accurati del movimento delle bolle, bollente, e la condensazione che si verifica in quello che gli ingegneri chiamano "il muro":il rivestimento di quattro metri di altezza, barre di combustibile nucleare larghe un centimetro, che sono stipati a decine di migliaia in un tipico nocciolo di un reattore nucleare e circondati da fluido caldo.
Mentre alcuni dei modelli computazionali di Baglietto hanno sfruttato la conoscenza esistente dei complessi processi di trasferimento di calore dell'assemblaggio del combustibile all'interno dei reattori, ha anche cercato nuovi dati sperimentali per convalidare i suoi modelli. Si avvale dell'aiuto dei colleghi di reparto Matteo Bucci, il Norman C. Rasmussen Assistant Professor di Scienze e Ingegneria Nucleare, e Jacopo Buongiorno, il Professore TEPCO e capo dipartimento associato per la scienza e l'ingegneria nucleare.
Utilizzando riscaldatori simulati elettricamente con gruppi di combustibile surrogati e pareti trasparenti, I ricercatori del MIT sono stati in grado di osservare i minimi dettagli nell'evoluzione dell'ebollizione in CHF.
"Passeresti da una situazione in cui delle belle bollicine hanno rimosso molto calore, e nuova acqua inondò di nuovo la superficie, mantenendo le cose fredde, a un istante dopo, quando improvvisamente non c'era più spazio per le bolle e si formavano e crescevano macchie secche, "dice Baglietto.
Da questi esperimenti è emersa una fondamentale conferma. I primi modelli di Baglietto, contrariamente al pensiero convenzionale, aveva suggerito che durante la bollitura, l'evaporazione non è la forma esclusiva di rimozione del calore. I dati di simulazione hanno mostrato che le bolle scivolano, spingendosi e allontanandosi dalla superficie toglieva ancora più calore dell'evaporazione, e gli esperimenti hanno convalidato i risultati dei modelli.
"Il lavoro di Baglietto rappresenta un punto di riferimento nell'evoluzione delle capacità predittive per i sistemi di ebollizione, permettendoci di modellare i comportamenti a un livello molto più fondamentale che mai possibile prima, " dice W. David Pointer, capogruppo di ingegneria avanzata dei reattori presso l'Oak Ridge National Laboratory, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Questa ricerca ci consentirà di sviluppare progetti significativamente più aggressivi che ottimizzano al meglio la potenza prodotta dal carburante senza compromettere la sicurezza, e avrà un impatto immediato sulle prestazioni della flotta attuale e sulla progettazione dei reattori di prossima generazione".
La ricerca di Baglietto migliorerà rapidamente anche il processo di sviluppo dei combustibili nucleari. Invece di spendere molti mesi e milioni di dollari in esperimenti, dice Puntatore, "Possiamo abbreviare quelle lunghe sequenze di test fornendo dati accurati, modelli affidabili."
Nei prossimi anni, L'approccio globale di Baglietto può aiutare a fornire un rivestimento del carburante più resistente alle incrostazioni e alle impurità, più tollerante agli incidenti, e che favorisce una maggiore bagnabilità, rendendo le superfici più favorevoli al contatto con l'acqua e meno soggette a formare macchie secche.
Anche piccoli miglioramenti nella produzione di energia nucleare possono fare una grande differenza, dice Baglietto.
"Se il carburante ha prestazioni migliori del cinque percento in un reattore esistente, ciò significa il cinque percento in più di produzione di energia, che può significare bruciare meno gas e carbone, " dice. "Spero di vedere il nostro lavoro molto presto nei reattori statunitensi, perché se possiamo produrre più energia nucleare a basso costo, reattori rimarranno competitivi rispetto ad altri combustibili, e avere un impatto maggiore sulle emissioni di CO2".
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.