當木塞和腐蝕威脅到住宅的供水和供暖系統時，房主可以簡單地打電話給水管工給排水管打蛇或更換管道。核電廠的運營商并非如此幸運。金屬氧化物顆粒(在核能世界中統稱為CRUD)直接堆積在反應堆的燃料棒上，從而阻礙了核電廠產生熱量的能力。這些污垢每年使核能行業(yè)損失數百萬美元。

自1960年代開始以來，這個問題就困擾著核能工業(yè)，科學家們只找到了減輕但未治愈CRUD堆積的方法。但這可能會改變。“我們相信我們已經解決了CRUD問題，” 42歲的核科學與工程(NSE)副教授和研究負責人Michael Short說。“到目前為止，我們所做的每項測試都看起來不錯。”

肖特和麻省理工學院的同事在最近由美國化學學會期刊Langmuir在線發(fā)表的一篇論文中描述了他們的工作，這為設計用于核反應堆和其他大規(guī)模能源系統的耐污染材料提供了一種新穎的方法。論文的共同作者是研究之時NSE的博士后Cigdem Toparli。NSE研究生Max Carlson和Minh A. Dinh;以及原子科學與工程學和材料科學與工程學教授Bilge Yildiz 。

該團隊的研究超出了理論范圍，并提出了防污材料的具體設計原則。肖特說：“我們項目的一個重要方面是為今天的問題提供切實可行的解決方案，這對于我們的子孫后代來說，并不是天上掉餡餅，而是必須與現在存在的一切相適應。”

作為美國最大的發(fā)電機之一，?？巳?Exelon)對MIT團隊的防污設計的可行性充滿了信心，以至于它已開始制定計劃在其商用反應堆之一中對其進行驗證。在受到嚴格監(jiān)管的核能領域，從研究構想到應用的時間可以創(chuàng)下速度記錄。

CRUD背后的力量

自2010年以來，肖特一直在研究CRUD，當時他加入了輕水堆高級仿真聯盟(CASL)，該聯盟由美國能源部贊助，旨在改善當前和未來核反應堆的性能。作為麻省理工學院的博士后，他開發(fā)了CRUD的計算機模型。

肖特說：“這讓我讀了很多關于CRUD的文章，以及不同的表面力如何使物體相互粘連，例如在冷卻液中循環(huán)的腐蝕產物積聚在燃料棒上。” “我想首先了解它是如何累積的，也許可以找到一種真正防止CRUD形成的方法。”

為此，他在NW22大樓地下室建立了一個由零件制成的沸騰室，以查看哪些材料相互粘連，并獲得一筆小額贈款，以學習如何在日本的反應堆條件下測試CRUD的生長。他和他的學生建立了一個流動環(huán)路(一種在沒有輻射的情況下重新建立反應堆條件的方法)，并進行了一系列實驗，以查看哪些材料鼓勵了CRUD的生長，哪些阻止了CRUD的生長。

研究人員將大量表面力作為導致CRUD背后粘性的候選物：氫鍵，磁性，靜電荷。但是通過實驗和計算分析，肖特和他的團隊開始懷疑一個被忽視的競爭者：范德華力。這些是弱電，由19世紀的荷蘭物理學家約翰內斯·狄德瑞克·范德華(Johannes Diderik van der Waals)發(fā)現，它們是液體，固體和氣體中分子相互吸引的部分原因。

肖特說：“出于簡單的原因，我們可以排除其他表面力，但不能排除的一種力是范德華斯。”

然后是一個重大突破：卡爾森回憶起俄羅斯物理學家葉夫根尼·李夫希茨(Evgeny Lifshitz)建立的已有50年歷史的方程式，該方程式是他在回顧材料科學文獻時遇到的。

“ Lifshitz的理論根據電子振動描述了范德華力的大小，其中不同材料中的電子以不同的頻率和振幅振動，例如漂浮在冷卻劑水中的物質和燃料棒材料，” Short說道。“他的數學方法告訴我們，固體材料是否具有與水相同的電子振動，沒有任何東西會粘附在它們上面。”

肖特說，這是車隊的“阿哈”時刻。如果進行包覆，則燃料棒的外層可能會涂有與冷卻水電子頻譜相匹配的材料，那么這些顆粒將直接滑過燃料棒。肖特說：“答案在文學界坐了五十年，但沒人能以這種方式認識到它。”

洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)的技術主管克里斯·斯坦尼斯(Chris Stanek)說：“這是開箱即用的真實想法。” “這是一種非常規(guī)的，麻省理工學院的方法–退后一步，看看結垢的根源，找到文獻中沒有的其他東西，然后直接進入CRUD的物理基礎。”

一種設計原則

研究人員必須進行工作，以證明范德華斯力是CRUD粘性背后唯一最重要的表面力。為了尋找一種簡單而統一的方法來計算材料的分子頻率，他們抓住了折射率-一種衡量光穿過材料時彎曲的數量的指標。他們將校準的LED燈照在材料樣品上，繪制出核燃料和包層材料的光學特性圖。這使他們能夠根據粘性等級對物料進行評分。根據Lifshitz理論，共享相同光學特性的材料會相互打滑，而在折射光標度上相距較遠的材料會粘在一起。

如論文所述，在研究結束時，Short的團隊不僅提出了防污材料的設計原則，而且提出了一組候選涂層，這些涂層的光學性能使其非常適合(光滑)冷卻液。但是在實際實驗中，他們的某些涂層無法正常工作。肖特說：“僅靠正確的折射率還不夠。” “材料必須堅硬，抗輻射，抗氫和腐蝕，并能夠大規(guī)模制造。”

包括在麻省理工學院的核反應堆實驗室的嚴酷環(huán)境中所經歷的時間在內的其他試驗，已經產生了一些可以滿足大多數嚴格標準的涂料。最后一步是確定這些材料是否可以阻止CRUD在實際反應堆中生長。這項測試預計將于明年開始在Exelon商業(yè)核電站進行。

肖特說：“涂有防污材料的燃料棒將進入正在運行的商業(yè)反應堆，為電網供電。” 肖特說：“在不同的時間間隔，它們會出來接受檢查，如果一切正常，我們的魚竿是干凈的，而隔壁的魚竿是臟的。” “對于停止這種類型的反應堆中的CRUD來說，可能是一個漫長的考驗，如果消除CRUD，我們將消滅整個行業(yè)的禍害。”