När träskor och korrosion hotar bostadsvatten- och värmesystem, husägare kan helt enkelt ringa en rörmokare för att orma ett avlopp eller byta ut ett rör. Operatörer av kärnkraftverk är inte så lyckliga. Metalloxidpartiklar, gemensamt känd som CRUD i kärnkraftsvärlden, bygga upp direkt på reaktorbränslestavar, hindrar anläggningens förmåga att alstra värme. Dessa foulants kostar kärnkraftsindustrin miljoner dollar årligen.

Denna fråga har irriterat kärnkraftsindustrin sedan starten på 1960 -talet, och forskare har bara hittat sätt att mildra, men inte bota, CRUD -uppbyggnad. Men det kan komma att förändras. "Vi tror att vi har knäckt problemet med CRUD, "säger Michael Short, Klass '42 docent i kärnvetenskap och teknik (NSE), och forskningsledare. "Varje test vi har gjort hittills har sett bra ut."

I en ny tidning publicerad online av Langmuir , en tidning från American Chemical Society, Korta och MIT -kollegor beskriver sitt arbete, som erbjuder ett nytt tillvägagångssätt för att utforma föroreningsresistenta material för användning i kärnreaktorer och andra storskaliga energisystem. Medförfattare till tidningen är Cigdem Toparli, en postdoc i NSE vid tidpunkten för studien; NSE -doktorander Max Carlson och Minh A. Dinh; och Bilge Yildiz, professor i kärnvetenskap och teknik och i materialvetenskap och teknik.

Teamets forskning går utöver teorin och anger specifika designprinciper för antifoulant-material. "En viktig aspekt av vårt projekt var att göra en praktisk lösning på problemet idag-ingen cirkel i himlen för våra barns generation, men något som måste fungera med allt som finns nu, säger Short.

Exelon, en av landets största kraftproducenter, är tillräckligt övertygad om livskraften i MIT-teamets antifoulant-konstruktioner att det har börjat planera för att validera dem i en av sina kommersiella reaktorer. Inom den högt reglerade kärnkraftsområdet, tiden från forskningsidé till ansökan skulle kunna sätta ett hastighetsrekord.

Krafterna bakom CRUD

Short har undersökt CRUD sedan 2010, när han gick med i konsortiet för avancerad simulering av lättvattenreaktorer (CASL), ett projekt som sponsras av U.S. Department of Energy för att förbättra prestanda för nuvarande och framtida kärnreaktorer. Som postdoc på MIT, han utvecklade datormodeller av CRUD.

"Detta fick mig att läsa mycket om CRUD, och hur olika ytkrafter kan få saker att hålla fast vid varandra, såsom korrosionsprodukterna som cirkulerar i kylvätska som ackumuleras på bränslestavar, "säger Short." Jag ville lära mig hur det ackumuleras i första hand, och kanske hitta ett sätt att faktiskt förhindra CRUD -bildning. "

Mot det målet, han satte upp en kokande kammare gjord av reservdelar i källaren i byggnad NW22 för att se vilka material som fastnade för varandra, och fick ett litet bidrag för att lära sig hur man testar tillväxten av CRUD i reaktorförhållanden i Japan. Han och hans elever byggde en flödeslinga (ett sätt att återskapa reaktorförhållanden utan strålning), och genomförde en rad experiment för att se vilka material som uppmuntrades, och som avskräckt, tillväxten av CRUD.

Forskare har flyttat en mängd ytkrafter som kandidater för att orsaka klibbigheten bakom CRUD:vätebindning, magnetism, elektrostatiska laddningar. Men genom experiment och beräkningsanalys, Short och hans team började misstänka en förbisedd utmanare:van der Waals styrkor. Upptäckt av den nederländska fysikern Johannes Diderik van der Waals från 1800-talet, dessa är svaga elektriska krafter som står för en del av molekylernas dragning till varandra i vätska, fasta ämnen, och gaser.

"Vi kan utesluta andra ytkrafter av enkla skäl, men en kraft vi inte kunde utesluta var van der Waals, säger Short.

Sedan kom ett stort genombrott:Carlson återkallade en 50-årig ekvation som utvecklats av den ryska fysikern Evgeny Lifshitz som han hade stött på under en genomgång av materialvetenskaplig litteratur.

"Lifshitz teori beskrev storleken på van der Waals krafter enligt elektronvibrationer, där elektroner i olika material vibrerar vid olika frekvenser och vid olika amplituder, som saker som flyter i kylvätska, och bränslestavsmaterial, "beskriver Short." Hans matte berättar om de fasta materialen har samma elektroniska vibrationer som vatten, ingenting kommer att hålla fast vid dem. "

Detta, säger Short, var lagets "Aha" -moment. Om beklädnad, det yttre lagret av bränslestavar, kan beläggas med ett material som matchar det elektroniska frekvensspektrumet för kylvätska, då skulle dessa partiklar glida förbi bränslestaven. "Svaret satt i litteraturen i 50 år, men ingen kände igen det på det här sättet, säger Short.

"Detta var ett riktigt tänkande utanför boxen, "säger Chris Stanek, en teknisk chef vid Los Alamos National Laboratory som arbetar med avancerad modellering och simulering av kärnkraft, som inte var inblandad i forskningen. "Det var en okonventionell, MIT approach—to step back and look at the source of fouling, to find something no one else had in the literature, and then getting straight to the physical underpinnings of 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, väte, 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."