Quando obstruções e corrosão ameaçam os sistemas residenciais de água e aquecimento, os proprietários podem simplesmente chamar um encanador para abrir um ralo ou substituir um cano. Os operadores de usinas nucleares não têm tanta sorte. Partículas de óxido metálico, conhecido coletivamente como CRUD no mundo da energia nuclear, acumulam-se diretamente nas barras de combustível do reator, impedindo a capacidade da planta de gerar calor. Essas incrustações custam à indústria de energia nuclear milhões de dólares anualmente.

Esta questão tem incomodado a indústria de energia nuclear desde seu início na década de 1960, e os cientistas só encontraram maneiras de mitigar, mas não cura, Acúmulo de CRUD. Mas isso pode estar prestes a mudar. "Acreditamos ter resolvido o problema do CRUD, "diz Michael Short, Classe de '42 Professor Associado de Ciência Nuclear e Engenharia (NSE), e líder de pesquisa. "Todos os testes que fizemos até agora pareceram bons."

Em um artigo recente publicado online por Langmuir , um jornal da American Chemical Society, Os colegas de Short e do MIT descrevem seu trabalho, que oferece uma nova abordagem para projetar materiais resistentes a incrustação para uso em reatores nucleares e outros sistemas de energia em grande escala. Os co-autores do artigo são Cigdem Toparli, um pós-doutorado em NSE na época do estudo; Os alunos de pós-graduação da NSE Max Carlson e Minh A. Dinh; e Bilge Yildiz, professor de ciência e engenharia nuclear e de ciência e engenharia de materiais.

A pesquisa da equipe vai além da teoria e estabelece princípios de design específicos para materiais anti-incrustantes. "Um aspecto importante do nosso projeto foi encontrar uma solução prática para o problema hoje - nada de empolgação para a geração de nossos filhos, mas algo que tem que funcionar com tudo o que existe agora, "diz Short.

Exelon, um dos maiores geradores de energia do país, está confiante o suficiente na viabilidade dos projetos anti-incrustantes da equipe do MIT que começou a fazer planos para validá-los em um de seus reatores comerciais. No domínio altamente regulamentado da energia nuclear, o tempo decorrido entre a ideia de pesquisa e a aplicação pode estabelecer um recorde de velocidade.

As forças por trás do CRUD

Short está investigando CRUD desde 2010, quando ele se juntou ao Consórcio para Simulação Avançada de Reatores de Água Leve (CASL), um projeto patrocinado pelo Departamento de Energia dos EUA para melhorar o desempenho dos reatores nucleares atuais e futuros. Como pós-doutorado no MIT, ele desenvolveu modelos de computador do CRUD.

"Isso me fez ler muito sobre CRUD, e como diferentes forças de superfície podem fazer com que as coisas grudem umas nas outras, como os produtos de corrosão que circulam no fluido refrigerante que se acumulam nas barras de combustível, "diz Short." Eu queria aprender como ele se acumula em primeiro lugar, e talvez encontrar uma maneira de realmente prevenir a formação de CRUD. "

Para esse fim, ele montou uma câmara de ebulição feita de peças sobressalentes no porão do Edifício NW22 para ver quais materiais grudavam uns nos outros, e recebeu uma pequena bolsa para aprender como testar o crescimento do CRUD em condições de reatores no Japão. Ele e seus alunos construíram um loop de fluxo (uma maneira de recriar as condições do reator sem radiação), e conduziu uma série de experimentos para ver quais materiais encorajavam, e o que desencorajou, o crescimento do CRUD.

Os pesquisadores sugeriram uma série de forças de superfície como candidatas a causar a viscosidade por trás do CRUD:ligações de hidrogênio, magnetismo, cargas eletrostáticas. Mas por meio de experimentação e análise computacional, Short e sua equipe começaram a suspeitar de um contendor esquecido:as forças de van der Waals. Descoberto pelo físico holandês do século 19, Johannes Diderik van der Waals, essas são forças elétricas fracas que são responsáveis ​​por parte da atração das moléculas entre si no líquido, sólidos, e gases.

"Poderíamos descartar outras forças de superfície por razões simples, mas uma força que não pudemos descartar foi van der Waals, "diz Short.

Então veio um grande avanço:Carlson lembrou de uma equação de 50 anos desenvolvida pelo físico russo Evgeny Lifshitz que ele encontrou durante uma revisão da literatura de ciência dos materiais.

"A teoria de Lifshitz descreveu a magnitude das forças de van der Waals de acordo com as vibrações do elétron, onde os elétrons em diferentes materiais vibram em diferentes frequências e em diferentes amplitudes, como o material que flutua na água de refrigeração, e materiais de barra de combustível, "descreve Short." Sua matemática nos diz se os materiais sólidos têm as mesmas vibrações eletrônicas da água, nada vai grudar neles. "

Esse, diz Short, foi o momento "Aha" da equipe. Se for revestimento, a camada externa das barras de combustível, poderia ser revestido com um material que correspondesse ao espectro de frequência eletrônica da água de refrigeração, então, essas partículas iriam passar direto pela barra de combustível. "A resposta ficou na literatura por 50 anos, mas ninguém reconheceu desta forma, "diz Short.

"Este era um pensamento real fora da caixa, "diz Chris Stanek, um diretor técnico do Laboratório Nacional de Los Alamos envolvido em modelagem e simulação avançada de energia nuclear, que não participou da pesquisa. "Foi um não convencional, Abordagem do MIT - dar um passo atrás e olhar para a fonte de incrustação, para encontrar algo que ninguém mais tinha na literatura, e então indo direto para os fundamentos físicos do CRUD. "

One design principle

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, hidrogênio, 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."