Den kogende krise og hvordan man undgår den

Det er sjældent, at en pre-teenager bliver vild med termodynamik, men dem, der forbruges af en sådan lidenskab, kan betragte sig selv som heldige at ende på et sted som MIT. Madhumitha Ravichandran gør det bestemt. En ph.d. studerende i Nuklear Science and Engineering (NSE), Ravichandran stødte først på termodynamikkens love som en mellemskoleelev i Chennai, Indien. "De gav fuldstændig mening for mig, " siger hun. "Mens man kigger på køleskabet derhjemme, Jeg spekulerede på, om jeg en dag kunne bygge energisystemer, der udnyttede de samme principper. Sådan startede det, og jeg har opretholdt den interesse lige siden. "

Hun trækker nu på sin viden om termodynamik i forskning udført i NSE-assistentprofessor Matteo Buccis laboratorium, hendes ph.d. -vejleder. Ravichandran og Bucci får vigtig indsigt i den "kogende krise" - et problem, der længe har sadlet energiindustrien.

Ravichandran var godt forberedt på dette arbejde, da hun ankom til MIT i 2017. Som bachelor på Indiens Sastra University, hun forfulgte forskning i "to-fasede strømme, "undersøgelse af de overgange, der gennemgår vand mellem dets flydende og gasform. Hun fortsatte med at studere dråbeinddampning og relaterede fænomener under en praktik i begyndelsen af ​​2017 i Bucci Lab. Det var en øjenåbnende oplevelse, Ravichandran forklarer. "Tilbage på mit universitet i Indien, kun 2 til 3 procent af maskiningeniørstuderende var kvinder, og der var ingen kvinder på fakultetet. Det var første gang, jeg stod over for sociale uligheder på grund af mit køn, og jeg gennemgik nogle kampe, mildest talt."

MIT tilbød en velkommen kontrast. "Mængden af ​​frihed, jeg fik, gjorde mig ekstremt glad, "siger hun." Jeg blev altid opmuntret til at undersøge mine ideer, og jeg følte mig altid inkluderet. "Hun var dobbelt glad, fordi midtvejs i praktikken, hun lærte, at hun var blevet accepteret til MITs kandidatuddannelse.

Som ph.d. studerende, hendes forskning har fulgt en lignende vej. Hun fortsætter med at studere kogning og varmeoverførsel, men Bucci gav dette arbejde en vis ekstra hast. De undersøger nu den førnævnte kogekrise, som påvirker atomreaktorer og andre former for kraftværker, der er afhængige af dampgenerering til at drive møller. I en letvandsreaktor, vand opvarmes af brændselsstave, hvori der er sket kernefission. Varmefjernelse er mest effektiv, når vandet, der cirkulerer forbi stængerne, koger. Imidlertid, hvis der dannes for mange bobler på overfladen, indhyller brændstofstængerne i et lag damp varmeoverførslen er stærkt reduceret. Det reducerer ikke kun elproduktion, det kan også være farligt, fordi brændstofstængerne skal afkøles kontinuerligt for at undgå en frygtet nedsmeltningsulykke.

Atomkraftværker opererer med lave effektværdier for at give en rigelig sikkerhedsmargen og derved forhindre, at et sådant scenario opstår. Ravichandran mener, at disse standarder kan være for forsigtige, på grund af det faktum, at folk endnu ikke er sikre på de forhold, der forårsager den kogende krise. Dette skader atomkraftens økonomiske levedygtighed, hun siger, på et tidspunkt, hvor vi desperat har brug for kulfrie strømkilder. Men Ravichandran og andre forskere i Bucci Lab begynder at udfylde nogle store huller i vores forståelse.

De kørte oprindeligt eksperimenter for at bestemme, hvor hurtigt bobler dannes, når vand rammer en varm overflade, hvor store boblerne bliver, hvor længe de vokser, og hvordan overfladetemperaturen ændrer sig. "Et typisk forsøg varede to minutter, men det tog mere end tre uger at finde ud af hver boble, der dannede sig og spore dens vækst og udvikling, ”Forklarer Ravichandran.

For at strømline denne proces, hun og Bucci implementerer en maskinlæringstilgang, baseret på neuralt netværksteknologi. Neurale netværk er gode til at genkende mønstre, herunder dem, der er forbundet med boblenukleation. "Disse netværk er datahungrende, "Siger Ravichandran." Jo flere data de får, jo bedre de udfører. "Netværkene blev trænet i eksperimentelle resultater vedrørende bobeldannelse på forskellige overflader; netværkene blev derefter testet på overflader, som NSE -forskerne ikke havde data for og ikke vidste, hvad de kunne forvente.

Efter at have opnået eksperimentel validering af output fra maskinindlæringsmodellerne, holdet forsøger nu at få disse modeller til at lave pålidelige forudsigelser om, hvornår boblekrisen, sig selv, vil forekomme. Det endelige mål er at have et fuldt autonomt system, der ikke kun kan forudsige den kogende krise, men også vis, hvorfor det sker, og luk automatisk eksperimenter, før tingene går for langt, og laboratorieudstyr begynder at smelte.

I mellemtiden, Ravichandran og Bucci har gjort nogle vigtige teoretiske fremskridt, som de rapporterer om i et nyligt udgivet papir til Anvendt fysik bogstaver . Der havde været en debat i atomkraftværket om, hvorvidt den kogende krise er forårsaget af bobler, der dækker brændstofstangens overflade, eller om bobler vokser oven på hinanden, strækker sig udad fra overfladen. Ravichandran og Bucci fastslog, at det er et fænomen på overfladeniveau. Ud over, de har identificeret de tre hovedfaktorer, der udløser den kogende krise. Først, der er antallet af bobler, der dannes over et givet overfladeareal, og for det andet, den gennemsnitlige boblestørrelse. Den tredje faktor er produktet af boblefrekvensen (antallet af bobler, der dannes inden for et sekund på et givet sted) og den tid, det tager for en boble at nå sin fulde størrelse.

Ravichandran er glad for at have kastet noget nyt lys over dette spørgsmål, men erkender, at der stadig er meget arbejde at gøre. Selvom hendes forskningsdagsorden er ambitiøs og næsten alt forbrugende, hun glemmer aldrig, hvor hun kom fra, og den følelse af isolation, hun følte, mens hun studerede ingeniørfag som bachelor. Hun har, på eget initiativ, været mentor for kvindelige ingeniørstuderende i Indien, yde både forskningsvejledning og karriererådgivning.

"Jeg føler nogle gange, at der var en grund til, at jeg gennemgik de tidlige strabadser, "Ravichandran siger." Det var det, der fik mig til at beslutte, at jeg ville være pædagog. "Hun er også taknemmelig for de muligheder, der har åbnet sig for hende siden hun kom til MIT. En modtager af et 2021-22 MathWorks Engineering Fellowship, hun siger, "nu føles det som om, at de eneste grænser for mig er dem, jeg har lagt på mig selv."