El simple acto de hervir agua es uno de los inventos más antiguos de la humanidad. y sigue siendo fundamental para muchas de las tecnologías actuales, desde cafeteras hasta centrales nucleares. Sin embargo, este proceso aparentemente simple tiene complejidades que durante mucho tiempo han desafiado la comprensión total.

Ahora, Los investigadores del MIT han encontrado una manera de analizar uno de los problemas más espinosos que enfrentan los intercambiadores de calor y otras tecnologías en las que el agua hirviendo juega un papel central:cómo predecir, y prevenir, un evento peligroso y potencialmente catastrófico llamado crisis de ebullición. Este es el punto en el que se forman tantas burbujas en una superficie caliente que se fusionan en una hoja continua de vapor que bloquea cualquier transferencia de calor adicional desde la superficie al agua.

Tales eventos pueden causar debilitamiento o fusión, por lo que las plantas nucleares están diseñadas para operar a niveles muy por debajo de los que podrían desencadenar una crisis de ebullición. Este nuevo entendimiento podría permitir que tales plantas operen de manera segura a niveles de producción más altos al reducir los márgenes operativos necesarios.

Los nuevos resultados se presentan hoy en la revista Cartas de revisión física en un artículo del profesor asistente de ingeniería nuclear Matteo Bucci y los estudiantes graduados Limiao Zhang y Jee Hyun Seong.

"Es un fenómeno muy complejo, "Bucci dice, y aunque se ha "estudiado durante más de un siglo, sigue siendo muy controvertido ". Incluso en el siglo XXI, él dice, "hablamos de una revolución energética, una revolución informática, transistores a nanoescala, todo tipo de grandes cosas. Todavía, todavía en este siglo, y tal vez incluso en el próximo siglo, todos estos están limitados por la transferencia de calor ".

A medida que los chips de computadora se vuelven más pequeños y más poderosos, por ejemplo, Algunos procesadores de alto rendimiento pueden requerir refrigeración líquida para disipar el calor que puede ser demasiado intenso para los ventiladores de refrigeración habituales. (Algunas supercomputadoras, e incluso algunas PC para juegos de alta gama, ya usan agua bombeada para enfriar sus chips). Igualmente, las centrales eléctricas que producen la mayor parte de la electricidad del mundo, si son combustibles fósiles, solar, o plantas nucleares, Producen principalmente energía generando vapor para hacer girar turbinas.

En una planta nuclear el agua es calentada por las barras de combustible, que se calientan mediante reacciones nucleares. La propagación del calor a través de las superficies metálicas al agua es responsable de transferir energía desde el combustible a la turbina generadora, pero también es clave para evitar que el combustible se sobrecaliente y pueda conducir a una fusión. En el caso de una crisis de ebullición, la formación de una capa de vapor que separa el líquido del metal puede evitar que se transfiera el calor, y puede provocar un sobrecalentamiento rápido.

Por ese riesgo, Las regulaciones requieren que las plantas nucleares operen a flujos de calor que no superen el 75 por ciento del nivel conocido como flujo de calor crítico (CHF), que es el nivel en el que se podría desencadenar una crisis de ebullición que podría dañar componentes críticos. Pero dado que los fundamentos teóricos del CHF no se comprenden bien, esos niveles se estiman de forma muy conservadora. Es posible que esas plantas puedan funcionar a niveles de calor más altos, produciendo así más energía a partir del mismo combustible nuclear, si el fenómeno se comprende con mayor certeza, Dice Bucci.

Una mejor comprensión de la ebullición y el CHF es "un problema tan difícil porque es muy no lineal, "y los pequeños cambios en los materiales o las texturas de la superficie pueden tener grandes efectos, él dice. Pero ahora, gracias a mejores instrumentos capaces de capturar detalles del proceso en experimentos de laboratorio, "Hemos podido medir y trazar el fenómeno con la resolución espacial y temporal requerida" para poder comprender cómo se inicia una crisis de ebullición en primer lugar.

Resulta que el fenómeno está estrechamente relacionado con el flujo de tráfico en una ciudad, o la forma en que un brote de enfermedad se propaga a través de una población. Esencialmente, es una cuestión de la forma en que las cosas se agrupan.

Cuando la cantidad de automóviles en una ciudad alcanza un cierto umbral, hay una mayor

probabilidad de que se amontonen en ciertos lugares y provoquen un atasco. Y, cuando los portadores de enfermedades ingresan a lugares concurridos como aeropuertos o auditorios, aumentan las posibilidades de desencadenar una epidemia. Los investigadores encontraron que la población de burbujas en una superficie calentada sigue un patrón similar; por encima de una cierta densidad de burbujas, aumenta la probabilidad de que las burbujas se amontonen, unir, y formar una capa aislante en esa superficie.

"La crisis de ebullición es esencialmente el resultado de una acumulación de burbujas que se fusionan y se fusionan entre sí, que conduce a la falla de la superficie, " él dice.

Debido a las similitudes, Bucci dice, "podemos inspirarnos, adoptar el mismo enfoque para modelar la ebullición que se utiliza para modelar los atascos de tráfico, "y esos modelos ya se han explorado a fondo. Ahora, basado en experimentos y análisis matemáticos, Bucci y sus coautores han podido cuantificar el fenómeno y llegar a mejores formas de precisar cuándo se producirá el inicio de tales fusiones de burbujas. "Demostramos que con este paradigma, podemos predecir cuándo ocurrirá la crisis de ebullición, "basado en los patrones y la densidad de las burbujas que se están formando.

La textura a nanoescala de la superficie juega un papel importante, el análisis muestra, y ese es uno de varios factores que podrían usarse para hacer ajustes que podrían aumentar el CHF, y así potencialmente conducir a una transferencia de calor más confiable, ya sea para centrales eléctricas, refrigeración líquida para chips informáticos avanzados, o muchos otros procesos donde la transferencia de calor es un factor crucial.

"Podemos utilizar esta información no solo para predecir la crisis de ebullición, sino también para explorar soluciones, cambiando la superficie de ebullición, para minimizar la interacción entre burbujas, ", Dice Bucci." Estamos utilizando este conocimiento para mejorar la superficie, para que podamos controlar y evitar el 'atasco de burbujas' ".

Si esta investigación permite cambios que podrían permitir la operación segura de plantas nucleares con flujos de calor más altos, es decir, la velocidad a la que disipan el calor, que la permitida actualmente, el impacto podría ser significativo. "Si puedes demostrar que manipulando la superficie, puede aumentar el flujo de calor crítico entre un 10 y un 20 por ciento, luego aumenta la potencia producida en la misma cantidad, en una escala global, haciendo un mejor uso del combustible y los recursos que ya existen, "Dice Bucci.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.