Cuando las obstrucciones y la corrosión amenazan los sistemas residenciales de agua y calefacción, Los propietarios de viviendas pueden simplemente llamar a un plomero para colocar un desagüe o reemplazar una tubería. Los operadores de plantas de energía nuclear no tienen tanta suerte. Partículas de óxido metálico, colectivamente conocido como CRUD en el mundo de la energía nuclear, acumularse directamente en las barras de combustible del reactor, impidiendo la capacidad de la planta para generar calor. Estas incrustaciones le cuestan a la industria de la energía nuclear millones de dólares al año.

Este problema ha molestado a la industria de la energía nuclear desde sus inicios en la década de 1960. y los científicos solo han encontrado formas de mitigar pero no curar, Acumulación de CRUD. Pero eso puede estar a punto de cambiar. "Creemos que hemos resuelto el problema de CRUD, "dice Michael Short, Clase de 42 Profesor Asociado de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE), y líder de investigación. "Todas las pruebas que hemos hecho hasta ahora se han visto bien".

En un artículo reciente publicado en línea por Langmuir , una revista de la American Chemical Society, Los colegas de Short y del MIT describen su trabajo, que ofrece un enfoque novedoso para diseñar materiales resistentes a las incrustaciones para su uso en reactores nucleares y otros sistemas de energía a gran escala. Los coautores del artículo son Cigdem Toparli, un postdoctorado en NSE en el momento del estudio; Los estudiantes graduados de NSE Max Carlson y Minh A. Dinh; y Bilge Yildiz, profesor de ciencia e ingeniería nucleares y de ciencia e ingeniería de materiales.

La investigación del equipo va más allá de la teoría y establece principios de diseño específicos para materiales antiincrustantes. "Un aspecto importante de nuestro proyecto fue encontrar una solución práctica al problema de hoy:no hay payasadas para la generación de nuestros hijos, pero algo que tiene que funcionar con todo lo que existe ahora, "dice Short.

Exelon, uno de los generadores de energía más grandes del país, confía lo suficiente en la viabilidad de los diseños antiincrustantes del equipo del MIT que ha comenzado a hacer planes para validarlos en uno de sus reactores comerciales. En el dominio altamente regulado de la energía nuclear, el tiempo transcurrido desde la idea de la investigación hasta la aplicación podría establecer un récord de velocidad.

Las fuerzas detrás de CRUD

Short ha estado investigando CRUD desde 2010, cuando se incorporó al Consorcio de Simulación Avanzada de Reactores de Agua Ligera (CASL), un proyecto patrocinado por el Departamento de Energía de EE. UU. para mejorar el rendimiento de los reactores nucleares actuales y futuros. Como postdoctorado en el MIT, desarrolló modelos informáticos de CRUD.

"Esto me hizo leer mucho sobre CRUD, y cómo las diferentes fuerzas de la superficie pueden hacer que las cosas se peguen entre sí, como los productos de corrosión que circulan en el líquido refrigerante que se acumulan en las barras de combustible, "dice Short." Quería aprender cómo se acumula en primer lugar, y tal vez encontrar una manera de prevenir la formación de CRUD ".

Hacia ese fin, instaló una cámara de ebullición hecha de piezas de repuesto en el sótano del edificio NW22 para ver qué materiales se pegaban entre sí, y recibió una pequeña subvención para aprender a probar el crecimiento de CRUD en condiciones de reactores en Japón. Él y sus estudiantes construyeron un circuito de flujo (una forma de recrear las condiciones del reactor sin radiación), y llevó a cabo una serie de experimentos para ver qué materiales alentaban, y que desanimó, el crecimiento de CRUD.

Los investigadores han presentado una serie de fuerzas superficiales como candidatas a causar la pegajosidad detrás de CRUD:enlaces de hidrógeno, magnetismo, cargas electrostáticas. Pero a través de la experimentación y el análisis computacional, Short y su equipo comenzaron a sospechar de un contendiente pasado por alto:las fuerzas de van der Waals. Descubierto por el físico holandés del siglo XIX Johannes Diderik van der Waals, estas son fuerzas eléctricas débiles que explican parte de la atracción de moléculas entre sí en un líquido, sólidos y gases.

"Podríamos descartar otras fuerzas superficiales por razones simples, pero una fuerza que no pudimos descartar fue van der Waals, "dice Short.

Luego se produjo un gran avance:Carlson recordó una ecuación de 50 años desarrollada por el físico ruso Evgeny Lifshitz con la que se había encontrado durante una revisión de la literatura sobre ciencia de los materiales.

"La teoría de Lifshitz describió la magnitud de las fuerzas de van der Waals según las vibraciones de los electrones, donde los electrones en diferentes materiales vibran a diferentes frecuencias y a diferentes amplitudes, como las cosas que flotan en el agua refrigerante, y materiales de las barras de combustible, "describe a Short". Sus matemáticas nos dicen si los materiales sólidos tienen las mismas vibraciones electrónicas que el agua, nada se les pega ".

Esta, dice Short, fue el momento "Ajá" del equipo. Si es un revestimiento, la capa exterior de barras de combustible, podría estar recubierto con un material que coincida con el espectro de frecuencia electrónica del agua refrigerante, entonces estas partículas se deslizarían más allá de la barra de combustible. "La respuesta estuvo en la literatura durante 50 años, pero nadie lo reconoció de esta manera, "dice Short.

"Este fue un pensamiento real fuera de la caja, "dice Chris Stanek, un director técnico en el Laboratorio Nacional de Los Alamos dedicado al modelado y simulación avanzados de energía nuclear, que no participó en la investigación. "Fue un poco convencional, Enfoque del MIT:dar un paso atrás y observar el origen de las incrustaciones, para encontrar algo que nadie más tenía en la literatura, y luego ir directamente a los fundamentos físicos de CRUD ".

Un principio de diseño

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, hidrógeno, 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."