Wanneer klompen en corrosie een bedreiging vormen voor residentiële water- en verwarmingssystemen, huiseigenaren kunnen eenvoudig een loodgieter bellen om een ​​afvoer te slangen of een pijp te vervangen. Exploitanten van kerncentrales hebben lang niet zoveel geluk. Metaaloxidedeeltjes, gezamenlijk bekend als CRUD in de kernenergiewereld, direct opbouwen op splijtstofstaven van de reactor, waardoor het vermogen van de plant om warmte op te wekken wordt belemmerd. Deze vervuilingen kosten de kernenergie-industrie jaarlijks miljoenen dollars.

Deze kwestie houdt de kernenergie-industrie sinds het begin in de jaren zestig, en wetenschappers hebben alleen manieren gevonden om te verzachten, maar niet genezen, CRUD opbouw. Maar daar komt misschien verandering in. "We geloven dat we het probleem van CRUD hebben opgelost, " zegt Michael Kort, Klasse van '42 universitair hoofddocent nucleaire wetenschappen en techniek (NSE), en onderzoeksleider. "Elke test die we tot nu toe hebben gedaan, zag er goed uit."

In een recent artikel dat online is gepubliceerd door Langmuir , een tijdschrift van de American Chemical Society, Short- en MIT-collega's beschrijven hun werk, die een nieuwe benadering biedt voor het ontwerpen van aangroeibestendige materialen voor gebruik in kernreactoren en andere grootschalige energiesystemen. Co-auteurs van het papier zijn Cigdem Toparli, een postdoc in NSE op het moment van de studie; NSE-afgestudeerde studenten Max Carlson en Minh A. Dinh; en Bilge Yildiz, hoogleraar nucleaire wetenschappen en techniek en materiaalwetenschap en techniek.

Het onderzoek van het team gaat verder dan de theorie en legt specifieke ontwerpprincipes voor aangroeiwerende materialen vast. "Een belangrijk aspect van ons project was om een ​​praktische oplossing te vinden voor het probleem van vandaag - geen luchtkasteel voor de generatie van onze kinderen, maar iets dat moet werken met alles wat nu bestaat, ' zegt Kort.

Exelon, een van de grootste stroomgeneratoren van het land, heeft voldoende vertrouwen in de levensvatbaarheid van de antifouling-ontwerpen van het MIT-team, dat het plannen is gaan maken om ze te valideren in een van zijn commerciële reactoren. In het sterk gereguleerde domein van kernenergie, de tijd van onderzoeksidee tot toepassing zou een snelheidsrecord kunnen vestigen.

De krachten achter CRUD

Short doet sinds 2010 onderzoek naar CRUD toen hij toetrad tot het Consortium for Advanced Simulation of Light Water Reactors (CASL), een project gesponsord door het Amerikaanse ministerie van Energie om de prestaties van huidige en toekomstige kernreactoren te verbeteren. Als postdoc aan het MIT, hij ontwikkelde computermodellen van CRUD.

"Hierdoor las ik veel over CRUD, en hoe verschillende oppervlaktekrachten ervoor kunnen zorgen dat dingen aan elkaar blijven plakken, zoals de corrosieproducten die in koelvloeistof circuleren en zich ophopen op brandstofstaven, "zegt Short. "Ik wilde eerst weten hoe het zich ophoopt, en misschien een manier vinden om CRUD-vorming daadwerkelijk te voorkomen."

Tegen dat doel, hij zette een kookkamer van reserveonderdelen in de kelder van gebouw NW22 om te zien welke materialen aan elkaar plakten, en ontving een kleine beurs om te leren hoe de groei van CRUD in reactoromstandigheden in Japan kan worden getest. Hij en zijn studenten bouwden een stroomlus (een manier om reactoromstandigheden zonder straling na te bootsen), en voerde een reeks experimenten uit om te zien welke materialen aanmoedigden, en die ontmoedigd, de groei van CRUD.

Onderzoekers hebben een groot aantal oppervlaktekrachten aangevoerd als kandidaten voor het veroorzaken van de plakkerigheid achter CRUD:waterstofbinding, magnetisme, elektrostatische ladingen. Maar door middel van experimenten en computationele analyse, Short en zijn team begonnen een over het hoofd geziene mededinger te vermoeden:van der Waals-troepen. Ontdekt door de 19e-eeuwse Nederlandse natuurkundige Johannes Diderik van der Waals, dit zijn zwakke elektrische krachten die verantwoordelijk zijn voor een deel van de aantrekking van moleculen tot elkaar in vloeistof, vaste stoffen, en gassen.

"We kunnen om eenvoudige redenen andere oppervlaktekrachten uitsluiten, maar één kracht die we niet konden uitsluiten was Van der Waals, ' zegt Kort.

Toen kwam er een grote doorbraak:Carlson herinnerde zich een 50 jaar oude vergelijking ontwikkeld door de Russische natuurkundige Evgeny Lifshitz die hij was tegengekomen tijdens een overzicht van materiaalwetenschappelijke literatuur.

"Lifshitz's theorie beschreef de grootte van van der Waals-krachten volgens elektronentrillingen, waar elektronen in verschillende materialen trillen met verschillende frequenties en met verschillende amplitudes, zoals het spul dat in koelwater drijft, en brandstofstaafmaterialen, " beschrijft Short. "Zijn wiskunde vertelt ons of de vaste materialen dezelfde elektronische trillingen hebben als water, niets zal aan hen blijven kleven."

Dit, zegt Kort, was het "Aha"-moment van het team. Als bekleding, de buitenste laag van brandstofstaven, kan worden gecoat met een materiaal dat overeenkomt met het elektronische frequentiespectrum van koelwater, dan zouden deze deeltjes langs de splijtstofstaaf glijden. "Het antwoord stond al 50 jaar in de literatuur, maar niemand herkende het op deze manier, ' zegt Kort.

"Dit was echt buiten de kaders denken, " zegt Chris Stanek, een technisch directeur bij Los Alamos National Laboratory die zich bezighoudt met geavanceerde modellering en simulatie van kernenergie, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Het was een onconventionele MIT-benadering - om een ​​stap terug te doen en naar de bron van vervuiling te kijken, om iets te vinden dat niemand anders in de literatuur had, en dan direct naar de fysieke onderbouwing van CRUD gaan."

Eén ontwerpprincipe:

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, waterstof, 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."