Ingenjörer måste hantera en malström i kärnan av kärnreaktorer i drift. Kärnreaktioner avsätter en extraordinär mängd värme i bränslestavarna, sätter igång en galenskap av att koka, bubblande, och avdunstning i omgivande vätska. Från detta snurrande flöde, operatörer utnyttjar avlägsnandet av värme.

På jakt efter större effektivitet i kärnkraftssystem, forskare har länge försökt karakterisera och förutsäga fysiken som ligger bakom dessa värmeöverföringsprocesser, med endast blygsam framgång.

Men nu är en forskargrupp ledd av Emilio Baglietto, en docent i kärnvetenskap och teknik vid MIT, har gjort ett betydande genombrott när det gäller att detaljera dessa fysiska fenomen. Deras tillvägagångssätt använder en modelleringsteknik som kallas beräkningsvätskedynamik (CFD). Baglietto har utvecklat nya CFD-verktyg som fångar kokningens grundläggande fysik, gör det möjligt att spåra snabbt utvecklande värmeöverföringsfenomen i mikroskala i en rad olika reaktorer, och för olika driftsförhållanden.

"Vår forskning öppnar för möjligheten att förbättra effektiviteten hos nuvarande kärnkraftssystem och designa bättre bränsle för framtida reaktorsystem, säger Baglietto.

Gruppen, som inkluderar Etienne Demarly, en doktorand i kärnkraftsvetenskap och teknik, och Ravikishore Kommajosyula, en doktorand i maskinteknik och beräkning, beskriver sitt arbete i numret 11 mars av Bokstäver i tillämpad fysik .

Baglietto, som anlände till MIT 2011, är termisk hydraulik ledande för Consortium for Advanced Simulation of Lightwater Reactors (CASL), ett initiativ som påbörjades 2010 för att designa verktyg för prediktiva modeller för att förbättra nuvarande och nästa generations reaktorer, och att säkerställa den ekonomiska bärkraften för kärnenergi som elkälla.

Centralt för Bagliettos CASL-arbete har varit frågan om kritiskt värmeflöde (CHF), som "representerar en av de stora utmaningarna för värmeöverföringssamhället, " säger han. CHF beskriver ett tillstånd av kokning där det plötsligt försvinner av kontakten mellan den bubblande vätskan, och värmeelementet, vilket i kärnkraftsindustrins fall är kärnbränslestaven. Denna instabilitet kan uppstå plötsligt, som svar på förändringar i effektnivåer, till exempel. När kokningen når en kris, en ångfilm täcker bränsleytan, som sedan ger vika för torra fläckar som snabbt når mycket höga temperaturer.

"Du vill att bubblor bildas och avgår från ytan, och vatten som avdunstar, för att ta bort värme, " förklarar Baglietto. "Om det blir omöjligt att ta bort värmen, det är möjligt att metallbeklädnaden går sönder."

Kärnkraftsregulatorer har etablerat effektinställningar i den kommersiella reaktorflottan vars övre gränser ligger långt under nivåer som kan utlösa CHF. Detta har inneburit att reaktorer körs under sin potentiella energiproduktion.

"Vi vill tillåta så mycket kokning som möjligt utan att nå CHF, " säger Baglietto. "Om vi ​​kunde veta hur långt vi hela tiden är från CHF, vi kunde operera precis på andra sidan, och förbättra reaktorernas prestanda."

Att uppnå detta, säger Baglietto, kräver bättre modellering av de processer som leder till CHF. "Tidigare modeller baserades på smarta gissningar, eftersom det var omöjligt att se vad som faktiskt pågick vid ytan där kokningen ägde rum, och eftersom modellerna inte tog hänsyn till all fysik som körde CHF, säger Baglietto.

Så han satte sig för att skapa en omfattande, högtrogen representation av kokande värmeöverföringsprocesser upp till CHF. Detta innebar att skapa fysiskt exakta modeller av bubblor, kokande, och kondens som äger rum vid vad ingenjörer kallar "väggen" - beklädnaden av fyra meter hög, en centimeter breda kärnbränslestavar, som är packade i tiotusentals i en typisk kärnreaktorhärd och omgiven av het vätska.

Medan några av Bagliettos beräkningsmodeller utnyttjade befintlig kunskap om de komplexa värmeöverföringsprocesserna för bränslepatroner inuti reaktorer, han sökte också nya experimentella data för att validera sina modeller. Han tog hjälp av avdelningskollegorna Matteo Bucci, Norman C. Rasmussen biträdande professor i kärnteknik och kärnteknik, och Jacopo Buongiorno, TEPCO-professorn och biträdande avdelningschef för kärnkraftsvetenskap och teknik.

Använda elektriskt simulerade värmare med surrogatbränslepatroner och genomskinliga väggar, MIT-forskare kunde observera de fina detaljerna i utvecklingen av kokning till CHF.

"Du skulle gå från en situation där fina små bubblor tog bort mycket värme, och nytt vatten översvämmade ytan igen, hålla saker kallt, till ett ögonblick senare när det plötsligt inte fanns mer plats för bubblor och torra fläckar skulle bildas och växa, säger Baglietto.

En grundläggande bekräftelse framkom från dessa experiment. Bagliettos första modeller, i motsats till konventionellt tänkande, hade föreslagit att under kokning, indunstning är inte den exklusiva formen av värmeavlägsnande. Simuleringsdata visade att bubblor glider, att knuffa och lämna ytan tog bort ännu mer värme än avdunstning, och experiment validerade resultaten av modellerna.

"Bagliettos arbete representerar ett landmärke i utvecklingen av prediktiva möjligheter för kokande system, gör det möjligt för oss att modellera beteenden på en mycket mer grundläggande nivå än någonsin tidigare, " säger W. David Pointer, gruppledare för avancerad reaktorteknik vid Oak Ridge National Laboratory, som inte var involverad i forskningen. "Denna forskning kommer att tillåta oss att utveckla betydligt mer aggressiva konstruktioner som bättre optimerar kraften som produceras av bränsle utan att kompromissa med säkerheten, och det kommer att ha en omedelbar inverkan på prestandan i den nuvarande flottan såväl som på nästa generations reaktordesign."

Bagliettos forskning kommer också snabbt att förbättra processen för att utveckla kärnbränslen. Istället för att spendera många månader och miljontals dollar på experiment, säger Pointer, "Vi kan genväga de långa testsekvenserna genom att tillhandahålla exakta, pålitliga modeller."

Under de kommande åren, Bagliettos omfattande tillvägagångssätt kan hjälpa till att leverera bränslekapsling som är mer resistent mot nedsmutsning och föroreningar, mer tåla olyckor, och som uppmuntrar högre vätbarhet, vilket gör ytorna mer gynnsamma för kontakt med vatten och mindre benägna att bilda torra fläckar.

Även små förbättringar av kärnenergiproduktionen kan göra stor skillnad, säger Baglietto.

"Om bränsle presterar fem procent bättre i en befintlig reaktor, det betyder fem procent mer energiproduktion, vilket kan innebära att man bränner mindre gas och kol, " säger han. "Jag hoppas få se vårt arbete mycket snart i amerikanska reaktorer, för om vi kan producera mer kärnkraft billigt, reaktorer kommer att förbli konkurrenskraftiga mot andra bränslen, och göra en större inverkan på CO2-utsläppen."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.