Det är sällsynt att en pre-tonåring blir förtjust i termodynamik, men de som konsumeras av en sådan passion kan anse sig vara lyckliga att hamna på en plats som MIT. Det gör verkligen Madhumitha Ravichandran. En Ph.D. student i kärnteknik och kärnteknik (NSE), Ravichandran mötte först termodynamikens lagar som gymnasieelev i Chennai, Indien. "De var helt vettiga för mig, " säger hon. "Medan du tittar på kylskåpet hemma, Jag undrade om jag någon gång kunde bygga energisystem som använde samma principer. Det var så det började, och jag har behållit det intresset sedan dess."

Hon utnyttjar nu sina kunskaper om termodynamik i forskning som utförs i laboratoriet av NSE Assistant Professor Matteo Bucci, hennes doktorandhandledare. Ravichandran och Bucci får viktiga insikter om den "kokande krisen" - ett problem som länge har sänkt energiindustrin.

Ravichandran var väl förberedd för detta arbete när hon anlände till MIT 2017. Som student vid Indiens Sastra University, hon drev forskning om "tvåfasflöden, " undersöka övergångarna som vattnet genomgår mellan dess flytande och gasformiga former. Hon fortsatte att studera droppavdunstning och relaterade fenomen under en praktikperiod i början av 2017 i Bucci Lab. Det var en ögonöppnande upplevelse, Ravichandran förklarar. "Tillbaka på mitt universitet i Indien, endast 2 till 3 procent av maskiningenjörsstudenterna var kvinnor, och det fanns inga kvinnor på fakulteten. Det var första gången jag mötte sociala orättvisor på grund av mitt kön, och jag gick igenom några kamper, minst sagt."

MIT erbjöd en välkommen kontrast. "Mängden frihet jag fick gjorde mig oerhört glad, " säger hon. "Jag blev alltid uppmuntrad att utforska mina idéer, och jag kände mig alltid inkluderad." Hon var dubbelt glad eftersom mitt i praktiken, hon fick reda på att hon hade blivit antagen till MIT:s forskarutbildning.

Som Ph.D. studerande, hennes forskning har följt en liknande väg. Hon fortsätter att studera kokning och värmeöverföring, men Bucci gav detta arbete lite extra brådska. De utreder nu den tidigare nämnda kokande krisen, som påverkar kärnreaktorer och andra typer av kraftverk som är beroende av ånggenerering för att driva turbiner. I en lättvattenreaktor, vatten värms upp av bränslestavar där kärnklyvning har skett. Värmeavlägsnande är mest effektivt när vattnet som cirkulerar förbi stavarna kokar. Dock, om det bildas för många bubblor på ytan, omsluter bränslestavarna i ett lager av ånga, värmeöverföringen minskar kraftigt. Det minskar inte bara elproduktionen, det kan också vara farligt eftersom bränslestavarna måste kylas kontinuerligt för att undvika en fruktad härdsmältningsolycka.

Kärnkraftverk arbetar med låg effekt för att ge en god säkerhetsmarginal och därigenom förhindra att ett sådant scenario inträffar. Ravichandran tror att dessa standarder kan vara alltför försiktiga, på grund av att människor ännu inte är säkra på de förhållanden som orsakar den kokande krisen. Detta skadar kärnkraftens ekonomiska livskraft, hon säger, i en tid då vi desperat behöver kolfria kraftkällor. Men Ravichandran och andra forskare i Bucci Lab börjar fylla några stora luckor i vår förståelse.

De körde initialt experiment för att fastställa hur snabbt bubblor bildas när vatten träffar en het yta, hur stora bubblorna blir, hur länge de växer, och hur yttemperaturen förändras. "Ett typiskt experiment varade i två minuter, men det tog mer än tre veckor att plocka ut varje bubbla som bildades och spåra dess tillväxt och utveckling, " förklarar Ravichandran.

För att effektivisera denna process, hon och Bucci implementerar en metod för maskininlärning, baserad på neural nätverksteknik. Neurala nätverk är bra på att känna igen mönster, inklusive de som är associerade med bubbelkärnbildning. "De här nätverken är datahungriga, " säger Ravichandran. "Ju mer data de matas, desto bättre presterar de." Nätverken tränades på experimentella resultat som rör bubbelbildning på olika ytor; nätverken testades sedan på ytor för vilka NSE-forskarna inte hade några data och inte visste vad de kunde förvänta sig.

Efter att ha fått experimentell validering av resultatet från maskininlärningsmodellerna, teamet försöker nu få dessa modeller att göra tillförlitliga förutsägelser om när bubbelkrisen, sig, kommer att inträffa. Det slutliga målet är att ha ett helt autonomt system som inte bara kan förutsäga den kokande krisen, men också visa varför det händer och automatiskt stänga av experiment innan det går för långt och labbutrustning börjar smälta.

Sålänge, Ravichandran och Bucci har gjort några viktiga teoretiska framsteg, som de rapporterar om i en nyligen publicerad tidning för Bokstäver i tillämpad fysik . Det hade förekommit en debatt inom kärnkraftsindustrin om huruvida den kokande krisen orsakas av bubblor som täcker bränslestavens yta eller på grund av att bubblor växer ovanpå varandra, sträcker sig utåt från ytan. Ravichandran och Bucci fastställde att det är ett fenomen på ytan. Dessutom, de har identifierat de tre huvudfaktorerna som utlöser den kokande krisen. Först, det finns antalet bubblor som bildas över en given yta, och för det andra, den genomsnittliga bubbelstorleken. Den tredje faktorn är produkten av bubbelfrekvensen (antalet bubblor som bildas inom en sekund på en given plats) och den tid det tar för en bubbla att nå sin fulla storlek.

Ravichandran är glad över att ha kastat lite nytt ljus över denna fråga men erkänner att det fortfarande finns mycket arbete kvar att göra. Även om hennes forskningsagenda är ambitiös och nästan all tidskrävande, hon glömmer aldrig var hon kom ifrån och den känsla av isolering hon kände när hon studerade ingenjörsutbildning. Hon har, på eget initiativ, varit mentor för kvinnliga ingenjörsstudenter i Indien, ge både forskningsvägledning och karriärrådgivning.

"Jag känner ibland att det fanns en anledning till att jag gick igenom dessa tidiga svårigheter, " säger Ravichandran. "Det var det som fick mig att bestämma mig för att jag vill bli pedagog." Hon är också tacksam för de möjligheter som har öppnat sig för henne sedan hon kom till MIT. Mottagare av ett MathWorks Engineering Fellowship 2021-22, hon säger, "nu känns det som att de enda gränserna för mig är de som jag har satt för mig själv."