MIT研究人员提出一种简单实用方法设计出核能源系统防腐蚀材料

MIT研究人员提出一种简单实用方法设计出核能源系统防腐蚀材料

研究人员已经设计出一种实用的解决方案,用于防止核系统中的腐蚀堆积。图像显示了带有和不带有耐CRUD涂层的标准反应堆锆合金样品。在实时反应堆实验中,左侧未镀膜的样品被CRUD覆盖,而两个镀膜的样品在进入时就干净了。这项研究为防止核工业腐蚀提供了一个新颖方法。相关研究成果发表在Langmuir上。

核电厂运行过程中金属氧化物颗粒(在核能界统称为CRUD)经常直接堆积在反应堆的燃料棒上,从而阻碍了核电厂产生热量的能力。这些污垢每年使核能行业损失数百万美元。

自20世纪60年代开始,这个问题就困扰着核能工业,科学家们只找到了减轻但未彻底解决CRUD堆积方法。但这可能会改变。“我们相信我们已经破解了CRUD问题,” 42岁的核科学与工程(NSE)副教授和研究负责人Michael Short说。“到目前为止,我们所做的每项测试都看起来不错。”

肖特和麻省理工学院的同事在最近由美国化学学会杂志的Langmuir在线发表的一篇论文中描述了他们的研究工作,该工作为设计用于核反应堆和其他大规模能源系统的耐污垢材料提供了一种新颖方法。

该团队的研究超出了理论范围,并提出了防污材料的特定设计原则。

美国最大的发电商之一Exelon公司对麻省理工学院团队的防污剂设计的可行性很有信心,已经开始计划在一个商业反应堆中进行验证。在受到严格监管的核能领域,从研究构想到应用的时间可以创下新记录。

CRUD背后的力量

肖特自2010年以来就一直在研究CRUD,做了大量关于CRUD的研究工作。当时他加入了轻水堆高级模拟联盟(CASL),该联盟由美国能源部赞助,旨在改善当前和未来核反应堆性能。作为麻省理工学院的博士后,他开发了CRUD的计算机模型。

研究人员将大量表面力作为导致CRUD背后粘性的候选因素:氢键,磁性,静电荷。但是通过实验和计算分析,肖特和他的团队开始怀疑一个被忽视因素:范德华力。这些是弱电,由19世纪的荷兰物理学家约翰内斯·狄德瑞克·范德华(Johannes Diderik van der Waals)发现,它们是液体,固体和气体中分子相互吸引的部分原因。

然后,一个重大的突破出现了。Carlson回忆起俄罗斯物理学家Evgeny Lifshitz开发的一个有50年历史的方程 , 那是他在查阅材料科学文献时发现的。

“ Lifshitz的理论根据电子振动描述了范德华力的大小,其中,不同材料中的电子以不同的频率和振幅振动,例如漂浮在冷却剂水中的物质和燃料棒材料,” Short说道。“他的数学方法告诉我们,固体材料如果具有与水相同的电子振动,就没有任何东西会粘附在它们上面。”

肖特说,如果在燃料棒的外层涂上一种与冷却水的电子频率谱相匹配的材料,那么这些颗粒将直接滑过燃料棒。肖特说:“这个答案在文献中坐了50年,但没有人以这种方式认识到它”

一种设计原则

研究人员开始着手证明范德华斯力是CRUD粘性背后最重要的单一表面力量。为了寻找一种简单而统一的方法计算材料的分子频率,他们从折射率考虑,这是一种衡量光穿过材料时弯曲量的指标。他们将校准的LED灯照在材料样品上,绘制出核燃料和包层材料的光学特性图。这使他们能够根据粘性等级对材料进行评分。根据Lifshitz理论,共享相同光学特性的材料会相互打滑,而在折射光度上相距较远的材料会粘在一起。

在研究结束时,Short的团队不仅提出了防污材料设计原则,而且提出了一组候选涂层,这些涂层的光学性能使其非常适合(光滑)冷却液。但是在实际实验中,他们的某些涂层并没有发挥作用。肖特说:“仅靠正确的折射率还不够。” “材料必须坚硬,抗辐射,抗腐蚀,并能够大规模制造。”

通过在麻省理工学院的核反应堆实验室的苛刻环境中试验,已经产生了一些满足大多数严格标准的涂层材料。最后一步是确定这些材料是否可以阻止CRUD在实际反应堆中生长。这项测试预计将于明年开始在Exelon商业核电站进行。

肖特说:“涂有防污材料的燃料棒将进入正在运行的商业反应堆进行测试。在不同的时间间隔,会定期检查,如果一切正常,测试燃料棒是干净的,而隔壁的对照组是被腐蚀了,就证明方法的可行性。该研究有助于从根本上解决核反应堆燃料组件棒腐蚀问题。

上一篇:

下一篇:


标签