De simpele handeling van kokend water is een van de oudste uitvindingen van de mensheid, en nog steeds centraal in veel van de hedendaagse technologieën, van koffiezetapparaten tot kerncentrales. Toch heeft dit schijnbaar eenvoudige proces complexiteiten die lang het volledige begrip hebben getrotseerd.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben een manier gevonden om een ​​van de neteligste problemen te analyseren waarmee warmtewisselaars en andere technologieën worden geconfronteerd waarin kokend water een centrale rol speelt:hoe te voorspellen, en voorkomen, een gevaarlijke en potentieel catastrofale gebeurtenis die een kokende crisis wordt genoemd. Dit is het punt waarop zich zoveel bellen vormen op een heet oppervlak dat ze samensmelten tot een ononderbroken damplaag die elke verdere warmteoverdracht van het oppervlak naar het water blokkeert.

Dergelijke gebeurtenissen kunnen verzwakking of smelten veroorzaken, dus kerncentrales zijn ontworpen om te werken op niveaus die ver onder het niveau liggen dat een kokende crisis zou kunnen veroorzaken. Dit nieuwe inzicht zou dergelijke fabrieken in staat kunnen stellen om veilig te werken op hogere productieniveaus door de benodigde operationele marges te verkleinen.

De nieuwe resultaten worden vandaag gepresenteerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven in een paper van assistent-professor nucleaire techniek Matteo Bucci en afgestudeerde studenten Limiao Zhang en Jee Hyun Seong.

"Het is een zeer complex fenomeen, "Bucci zegt, en hoewel het al meer dan een eeuw is bestudeerd, het is nog steeds erg controversieel." Zelfs in de 21e eeuw, hij zegt, "we praten over een energierevolutie, een computerrevolutie, nanoschaaltransistors, allerlei geweldige dingen. Nog, nog in deze eeuw, en misschien zelfs in de volgende eeuw, deze worden allemaal beperkt door warmteoverdracht."

Naarmate computerchips kleiner en krachtiger worden, bijvoorbeeld, sommige krachtige processors hebben mogelijk vloeistofkoeling nodig om warmte af te voeren die te intens kan zijn voor gewone koelventilatoren. (Sommige supercomputers, en zelfs sommige high-end gaming-pc's, gebruiken al opgepompt water om hun chips te koelen). Hetzelfde, de elektriciteitscentrales die de meeste elektriciteit in de wereld produceren, of het nu fossiele brandstoffen zijn, zonne, of kerncentrales, voornamelijk stroom produceren door stoom op te wekken om turbines te laten draaien.

In een kerncentrale, water wordt verwarmd door de splijtstofstaven, die opwarmen door kernreacties. De verspreiding van warmte door de metalen oppervlakken naar het water is verantwoordelijk voor het overbrengen van energie van de brandstof naar de opwekkingsturbine, maar het is ook essentieel om te voorkomen dat de brandstof oververhit raakt en mogelijk tot een meltdown leidt. In het geval van een kokende crisis, de vorming van een damplaag die de vloeistof van het metaal scheidt, kan voorkomen dat de warmte wordt overgedragen, en kan leiden tot snelle oververhitting.

Vanwege dat risico, regelgeving vereist dat kerncentrales werken met warmtestromen die niet meer dan 75 procent zijn van het niveau dat bekend staat als de kritische warmteflux (CHF), dat is het niveau waarop een kookcrisis kan ontstaan ​​die kritieke componenten kan beschadigen. Maar aangezien de theoretische grondslagen van de CHF slecht worden begrepen, die niveaus worden zeer conservatief geschat. Het is mogelijk dat die fabrieken op hogere warmteniveaus kunnen werken, dus meer energie produceren uit dezelfde nucleaire brandstof, als het fenomeen met grotere zekerheid wordt begrepen, zegt Bucci.

Een beter begrip van koken en de CHF is "zo'n moeilijk probleem omdat het erg niet-lineair is, " en kleine veranderingen in materialen of oppervlaktestructuren kunnen grote effecten hebben, hij zegt. Maar nu, dankzij betere instrumenten die details van het proces kunnen vastleggen in laboratoriumexperimenten, "we hebben het fenomeen daadwerkelijk kunnen meten en in kaart kunnen brengen met de vereiste ruimtelijke en temporele resolutie" om te kunnen begrijpen hoe een kokende crisis in de eerste plaats ontstaat.

Het blijkt dat het fenomeen nauw verband houdt met de verkeersstroom in een stad, of de manier waarop een uitbraak van een ziekte zich door een populatie verspreidt. Eigenlijk, het is een kwestie van de manier waarop dingen samenklonteren.

Wanneer het aantal auto's in een stad een bepaalde drempel bereikt, er is een grotere

kans dat ze op bepaalde plaatsen ophopen en een verkeersopstopping veroorzaken. En, wanneer dragers van ziekten drukke plaatsen zoals luchthavens of auditoria binnenkomen, de kans op het uitlokken van een epidemie wordt groter. De onderzoekers ontdekten dat de populatie bellen op een verwarmd oppervlak een soortgelijk patroon volgt; boven een bepaalde bellendichtheid, de kans wordt groter dat bubbels samenkomen, samenvoegen, en vormen op dat oppervlak een isolerende laag.

"De kokende crisis is in wezen het resultaat van een opeenhoping van bellen die samensmelten en met elkaar versmelten, wat leidt tot falen van het oppervlak, " hij zegt.

Vanwege de overeenkomsten, Bucci zegt, "we kunnen inspiratie opdoen, dezelfde benadering gebruiken om koken te modelleren als wordt gebruikt om files te modelleren, " en die modellen zijn al goed onderzocht. Nu, gebaseerd op zowel experimenten als wiskundige analyse, Bucci en zijn co-auteurs zijn erin geslaagd het fenomeen te kwantificeren en betere manieren te vinden om vast te stellen wanneer het begin van dergelijke bubbelfusies zal plaatsvinden. "We hebben laten zien dat met behulp van dit paradigma, we kunnen voorspellen wanneer de kokende crisis zal plaatsvinden, " gebaseerd op de patronen en dichtheid van bellen die zich vormen.

De textuur van het oppervlak op nanoschaal speelt een belangrijke rol, de analyse laat zien, en dat is een van de vele factoren die kunnen worden gebruikt om aanpassingen te maken die de CHF kunnen verhogen, en dus mogelijk leiden tot een betrouwbaardere warmteoverdracht, of het nu gaat om elektriciteitscentrales, vloeistofkoeling voor geavanceerde computerchips, of vele andere processen waarbij warmteoverdracht een cruciale factor is.

"We kunnen deze informatie niet alleen gebruiken om de kokende crisis te voorspellen, maar ook om oplossingen te zoeken, door het kookoppervlak te veranderen, om de interactie tussen bellen te minimaliseren, " zegt Bucci. "We gebruiken dit begrip om het oppervlak te verbeteren, zodat we de 'bubbeljam' kunnen beheersen en vermijden."

Als dit onderzoek veranderingen mogelijk maakt die een veilige werking van kerncentrales bij hogere warmtestromen mogelijk maken, dat wil zeggen, de snelheid waarmee ze warmte afvoeren - dan momenteel is toegestaan, de impact kan aanzienlijk zijn. "Als je dat kunt laten zien door het oppervlak te manipuleren, je kunt de kritische warmtestroom met 10 tot 20 procent verhogen, dan verhoog je het geproduceerde vermogen met dezelfde hoeveelheid, Op wereldwijde schaal, door beter gebruik te maken van de brandstof en middelen die er al zijn, ' zegt Bucci.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.