Praktisk løsning til at forhindre korrosiv opbygning i nukleare systemer

Når tilstopning og korrosion truer boligers vand- og varmesystemer, husejere kan blot ringe til en blikkenslager for at slange et afløb eller udskifte et rør. Operatører af atomkraftværker er ikke nær så heldige. Metalliske oxidpartikler, samlet kendt som CRUD i atomenergiverdenen, opbygges direkte på reaktorbrændselsstave, hæmmer anlæggets evne til at generere varme. Disse tilsmudsninger koster årligt atomenergiindustrien millioner af dollars.

Dette spørgsmål har irriteret atomenergiindustrien siden starten i 1960'erne, og videnskabsmænd har kun fundet måder at afbøde, men ikke helbrede, CRUD opbygning. Men det kan være ved at ændre sig. "Vi mener, at vi har knækket problemet med CRUD, " siger Michael Short, Klasse '42 lektor i nuklear videnskab og teknik (NSE), og forskningsleder. "Hver test, vi har lavet indtil videre, har set gode ud."

I et nyligt papir udgivet online af Langmuir , et tidsskrift fra American Chemical Society, Short og MIT-kolleger beskriver deres arbejde, som tilbyder en ny tilgang til design af begroningsbestandige materialer til brug i atomreaktorer og andre storskala energisystemer. Medforfattere på papiret er Cigdem Toparli, en postdoc i NSE på tidspunktet for undersøgelsen; NSE kandidatstuderende Max Carlson og Minh A. Dinh; og Bilge Yildiz, professor i nuklear videnskab og teknik og i materialevidenskab og teknik.

Holdets forskning går ud over teori og opstiller specifikke designprincipper for antibegroningsmaterialer. "Et vigtigt aspekt af vores projekt var at lave en praktisk løsning på problemet i dag - ingen pie-in-the-sky for vores børns generation, men noget, der skal fungere med alt, der eksisterer nu, " siger Short.

Exelon, en af ​​landets største el-generatorer, er sikker nok på levedygtigheden af ​​MIT-teamets anti-foulant-design, at det er begyndt at lave planer om at validere dem i en af ​​dets kommercielle reaktorer. På det stærkt regulerede område af atomenergi, tiden fra forskningsidé til ansøgning kunne sætte hastighedsrekord.

Kræfterne bag CRUD

Short har efterforsket CRUD siden 2010, da han sluttede sig til Consortium for Advanced Simulation of Light Water Reactors (CASL), et projekt sponsoreret af det amerikanske energiministerium for at forbedre ydeevnen for nuværende og fremtidige atomreaktorer. Som postdoc ved MIT, han udviklede computermodeller af CRUD.

"Dette fik mig til at læse meget om CRUD, og hvordan forskellige overfladekræfter kan få ting til at klæbe til hinanden, såsom korrosionsprodukter, der cirkulerer i kølevæske, der samler sig på brændstofstave, " siger Short. "Jeg ønskede at lære, hvordan det akkumuleres i første omgang, og måske finde en måde at forhindre CRUD-dannelse på."

Til det formål, han oprettede et kogekammer lavet af reservedele i kælderen i bygning NW22 for at se, hvilke materialer der klæbede til hinanden, og modtog et lille legat for at lære at teste væksten af ​​CRUD under reaktorforhold i Japan. Han og hans elever byggede en flowloop (en måde at genskabe reaktorforhold uden stråling), og gennemførte en række eksperimenter for at se, hvilke materialer der blev opmuntret, og som afskrækkede, væksten af ​​CRUD.

Forskere har svævet et væld af overfladekræfter som kandidater til at forårsage klæbrigheden bag CRUD:hydrogenbinding, magnetisme, elektrostatiske ladninger. Men gennem eksperimentering og beregningsanalyse, Short og hans hold begyndte at mistænke en overset udfordrer:van der Waals styrker. Opdaget af den hollandske fysiker Johannes Diderik van der Waals fra det 19. århundrede, disse er svage elektriske kræfter, der tegner sig for noget af tiltrækningen af ​​molekyler til hinanden i væske, faste stoffer, og gasser.

"Vi kunne udelukke andre overfladekræfter af simple grunde, men en kraft vi ikke kunne udelukke var van der Waals, " siger Short.

Så kom et stort gennembrud:Carlson huskede en 50 år gammel ligning udviklet af den russiske fysiker Evgeny Lifshitz, som han var stødt på under en gennemgang af materialevidenskabelig litteratur.

"Lifshitz' teori beskrev størrelsen af ​​van der Waals kræfter i henhold til elektronvibrationer, hvor elektroner i forskellige materialer vibrerer ved forskellige frekvenser og med forskellige amplituder, såsom ting, der flyder i kølevæske, og brændselsstavmaterialer, " beskriver Short. "Hans matematik fortæller os, om de faste materialer har de samme elektroniske vibrationer som vand, intet vil klæbe til dem."

Det her, siger Short, var holdets "Aha" øjeblik. Hvis beklædning, det ydre lag af brændstofstave, kunne være belagt med et materiale, der matchede det elektroniske frekvensspektrum af kølevand, så ville disse partikler glide lige forbi brændstofstangen. "Svaret sad i litteraturen i 50 år, men ingen genkendte det på denne måde, " siger Short.

"Dette var ægte tænkning uden for boksen, " siger Chris Stanek, en teknisk direktør ved Los Alamos National Laboratory beskæftiget med avanceret modellering og simulering af nuklear energi, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Det var en utraditionel, MIT approach—to step back and look at the source of 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, brint, 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."