Den enkla handlingen att koka vatten är en av mänsklighetens äldsta uppfinningar, och fortfarande central för många av dagens teknik, från kaffebryggare till kärnkraftverk. Men denna till synes enkla process har komplexiteter som länge har trotsat full förståelse.

Nu, forskare vid MIT har hittat ett sätt att analysera ett av de törnaste problemen för värmeväxlare och annan teknik där kokande vatten spelar en central roll:hur man förutspår, och förhindra, en farlig och potentiellt katastrofal händelse som kallas kokande kris. Detta är punkten när så många bubblor bildas på en het yta att de förenas till ett kontinuerligt ångark som blockerar ytterligare värmeöverföring från ytan till vattnet.

Sådana händelser kan orsaka försvagning eller smältning, så kärnkraftverk är konstruerade för att fungera på nivåer långt under de som kan utlösa en kokande kris. Denna nya förståelse kan göra det möjligt för sådana anläggningar att arbeta säkert på högre produktionsnivåer genom att minska de nödvändiga rörelsemarginalerna.

De nya resultaten presenteras idag i tidskriften Fysiska granskningsbrev i en uppsats av biträdande professor i kärnteknik Matteo Bucci och doktorander Limiao Zhang och Jee Hyun Seong.

"Det är ett mycket komplext fenomen, "Bucci säger, och även om det har "studerats i över ett sekel, Det är fortfarande mycket kontroversiellt. "Även på 2000 -talet han säger, "vi pratar om en energirevolution, en datorrevolution, nanoskala transistorer, alla möjliga bra saker. Än, fortfarande under detta århundrade, och kanske till och med under nästa århundrade, dessa är alla begränsade av värmeöverföring."

När datorchips blir mindre och kraftfullare, till exempel, vissa högpresterande processorer kan kräva vätskekylning för att avleda värme som kan vara för intensiv för vanliga kylfläktar. (Vissa superdatorer, och även några avancerade spel-datorer, använder redan pumpat vatten för att kyla sina chips). Likaså, kraftverken som producerar det mesta av världens el, oavsett om de är fossila bränslen, sol, eller kärnkraftverk, producerar huvudsakligen kraft genom att generera ånga för att vända turbiner.

I en kärnkraftverk, vatten värms upp av bränslestavarna, som värms upp genom kärnreaktioner. Värmespridningen genom metallytorna till vattnet är ansvarig för överföring av energi från bränslet till den genererande turbinen, men det är också nyckeln till att förhindra att bränslet överhettas och eventuellt leda till en nedsmältning. Vid kokande kris, bildandet av ett lager av ånga som separerar vätskan från metallen kan förhindra att värmen överförs, och kan leda till snabb överhettning.

På grund av den risken, föreskrifter kräver att kärnkraftverk arbetar vid värmeflöden som inte är mer än 75 procent av den nivå som kallas det kritiska värmeflödet (CHF), vilket är nivån när en kokande kris kan utlösas som kan skada kritiska komponenter. Men eftersom de teoretiska grunderna för CHF är dåligt förstådda, dessa nivåer uppskattas mycket konservativt. Det är möjligt att dessa anläggningar kan drivas vid högre värmenivåer, vilket producerar mer kraft från samma kärnbränsle, om fenomenet förstås med större säkerhet, Säger Bucci.

En bättre förståelse av kokning och CHF är "ett så svårt problem eftersom det är väldigt olinjärt, "och små förändringar i material eller ytstruktur kan ha stora effekter, han säger. Men nu, tack vare bättre instrument som kan fånga detaljer om processen i laboratorieexperiment, "vi har faktiskt kunnat mäta och kartlägga fenomenet med erforderlig rumslig och tidsmässig upplösning" för att kunna förstå hur en kokande kris startar i första hand.

Det visar sig att fenomenet är nära besläktat med trafikflödet i en stad, eller till hur ett sjukdomsutbrott sprids genom en befolkning. Väsentligen, Det är en fråga om hur saker och ting samlas.

När antalet bilar i en stad når en viss tröskel, det finns en större

sannolikhet att de kommer att samlas på vissa ställen och orsaka trafikstockning. Och, när sjukdomsbärare kommer in på trånga platser som flygplatser eller aula, chansen att utlösa en epidemi ökar. Forskarna fann att befolkningen av bubblor på en uppvärmd yta följer ett liknande mönster; över en viss bubbeltäthet, sannolikheten ökar att bubblor kommer att trängas ihop, sammanfoga, och bilda ett isolerande skikt på den ytan.

"Den kokande krisen är i huvudsak ett resultat av en ansamling av bubblor som smälter samman och förenar sig med varandra, vilket leder till fel på ytan, " han säger.

På grund av likheterna, Bucci säger, "vi kan ta inspiration, ha samma inställning till modellkokning som används för att modellera trafikstockningar, " och de modellerna har redan undersökts väl. Nu, baserad på både experiment och matematisk analys, Bucci och hans medförfattare har kunnat kvantifiera fenomenet och komma fram till bättre sätt att fastställa när uppkomsten av sådana bubbelsammanslagningar kommer att äga rum. "Vi visade att med hjälp av detta paradigm, vi kan förutse när kokkrisen kommer att inträffa, "baserat på mönstren och densiteten hos bubblor som bildas.

Ytans struktur i nanoskala spelar en viktig roll, analysen visar, och det är en av flera faktorer som kan användas för att göra justeringar som kan höja CHF, och därmed potentiellt leda till mer tillförlitlig värmeöverföring, oavsett om det gäller kraftverk, vätskekylning för avancerade datorchips, eller många andra processer där värmeöverföring är en avgörande faktor.

"Vi kan använda denna information inte bara för att förutsäga den kokande krisen, men också för att utforska lösningar, genom att ändra kokytan, för att minimera interaktionen mellan bubblor, "Säger Bucci." Vi använder denna förståelse för att förbättra ytan, så att vi kan kontrollera och undvika "bubblasyltet". "

Om denna forskning möjliggör förändringar som kan möjliggöra säker drift av kärnkraftverk vid högre värmeflöden - det vill säga den hastighet med vilken de avger värme - än för närvarande tillåtet, påverkan kan vara betydande. "Om du kan visa det genom att manipulera ytan, du kan öka det kritiska värmeflödet med 10 till 20 procent, då ökar du effekten som produceras med samma mängd, i global skala, genom att utnyttja bränslet och resurserna som redan finns bättre, Säger Bucci.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.