教育新闻网当木塞和腐蚀威胁到住宅的供水和供暖系统时，房主可以简单地打电话给水管工给排水管打蛇或更换管道。核电厂的运营商并非如此幸运。金属氧化物颗粒(在核能世界中统称为CRUD)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1960年代开始以来，这个问题就困扰着核能工业，科学家们只找到了减轻但未治愈CRUD堆积的方法。但这可能会改变。“我们相信我们已经解决了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期刊Langmuir在线发表的一篇论文中描述了他们的工作，这为设计用于核反应堆和其他大规模能源系统的耐污染材料提供了一种新颖的方法。论文的共同作者是研究之时NSE的博士后Cigdem Toparli。NSE研究生Max Carlson和Minh A. Dinh;以及原子科学与工程学和材料科学与工程学教授Bilge Yildiz 。
该团队的研究超出了理论范围，并提出了防污材料的具体设计原则。肖特说：“我们项目的一个重要方面是为今天的问题提供切实可行的解决方案，这对于我们的子孙后代来说，并不是天上掉馅饼，而是必须与现在存在的一切相适应。”
作为美国最大的发电机之一，埃克塞隆(Exelon)对MIT团队的防污设计的可行性充满了信心，以至于它已开始制定计划在其商用反应堆之一中对其进行验证。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速度记录。
CRUD背后的力量
自2010年以来，肖特一直在研究CRUD，当时他加入了轻水堆高级仿真联盟(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的性能。作为麻省理工学院的博士后，他开发了CRUD的计算机模型。
肖特说：“这让我读了很多关于CRUD的文章，以及不同的表面力如何使物体相互粘连，例如在冷却液中循环的腐蚀产物积聚在燃料棒上。” “我想首先了解它是如何累积的，也许可以找到一种真正防止CRUD形成的方法。”
为此，他在NW22大楼地下室建立了一个由零件制成的沸腾室，以查看哪些材料相互粘连，并获得一笔小额赠款，以学习如何在日本的反应堆条件下测试CRUD的生长。他和他的学生建立了一个流动环路(一种在没有辐射的情况下重新建立反应堆条件的方法)，并进行了一系列实验，以查看哪些材料鼓励了CRUD的生长，哪些阻止了CRUD的生长。
研究人员将大量表面力作为导致CRUD背后粘性的候选物：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的竞争者：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。
肖特说：“出于简单的原因，我们可以排除其他表面力，但不能排除的一种力是范德华斯。”
然后是一个重大突破：卡尔森回忆起俄罗斯物理学家叶夫根尼·李夫希茨(Evgeny Lifshitz)建立的已有50年历史的方程式，该方程式是他在回顾材料科学文献时遇到的。
“ 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，固体材料是否具有与水相同的电子振动，没有任何东西会粘附在它们上面。”
肖特说，这是车队的“阿哈”时刻。如果进行包覆，则燃料棒的外层可能会涂有与冷却水电子频谱相匹配的材料，那么这些颗粒将直接滑过燃料棒。肖特说：“答案在文学界坐了五十年，但没人能以这种方式认识到它。”
洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的技术主管克里斯·斯坦尼斯(Chris Stanek)说：“这是开箱即用的真实想法。” “这是一种非常规的，麻省理工学院的方法–退后一步，看看结垢的根源，找到文献中没有的其他东西，然后直接进入CRUD的物理基础。”
一种设计原则
研究人员必须进行工作，以证明范德华斯力是CRUD粘性背后唯一最重要的表面力。为了寻找一种简单而统一的方法来计算材料的分子频率，他们抓住了折射率-一种衡量光穿过材料时弯曲的数量的指标。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物料进行评分。根据Lifshitz理论，共享相同光学特性的材料会相互打滑，而在折射光标度上相距较远的材料会粘在一起。
如论文所述，在研究结束时，Short的团队不仅提出了防污材料的设计原则，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，他们的某些涂层无法正常工作。肖特说：“仅靠正确的折射率还不够。” “材料必须坚硬，抗辐射，抗氢和腐蚀，并能够大规模制造。”
包括在麻省理工学院的核反应堆实验室的严酷环境中所经历的时间在内的其他试验，已经产生了一些可以满足大多数严格标准的涂料。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，为电网供电。” 肖特说：“在不同的时间间隔，它们会出来接受检查，如果一切正常，我们的鱼竿是干净的，而隔壁的鱼竿是脏的。” “对于停止这种类型的反应堆中的CRUD来说，可能是一个漫长的考验，如果消除CRUD，我们将消灭整个行业的祸害。”
