Lorsque les bouchons et la corrosion menacent les systèmes d'eau et de chauffage résidentiels, les propriétaires peuvent simplement appeler un plombier pour faire couler un drain ou remplacer un tuyau. Les exploitants de centrales nucléaires ne sont pas aussi chanceux. Particules d'oxyde métallique, collectivement connu sous le nom de CRUD dans le monde de l'énergie nucléaire, s'accumuler directement sur les crayons combustibles des réacteurs, entraver la capacité de la plante à produire de la chaleur. Ces salissures coûtent chaque année des millions de dollars à l'industrie de l'énergie nucléaire.

Cette question a contrarié l'industrie de l'énergie nucléaire depuis ses débuts dans les années 1960, et les scientifiques n'ont trouvé que des moyens d'atténuer, mais pas guérir, Accumulation de CRUD. Mais cela est peut-être sur le point de changer. "Nous pensons avoir résolu le problème du CRUD, " dit Michael Short, Classe de '42 Professeur agrégé de sciences et d'ingénierie nucléaires (NSE), et chef de file de la recherche. "Chaque test que nous avons fait jusqu'à présent a semblé bon."

Dans un article récent publié en ligne par Langmuir , un journal de l'American Chemical Society, Les collègues de Short et du MIT décrivent leur travail, qui offre une nouvelle approche pour concevoir des matériaux résistants à l'encrassement destinés à être utilisés dans des réacteurs nucléaires et d'autres systèmes énergétiques à grande échelle. Les co-auteurs de l'article sont Cigdem Toparli, un post-doctorat en SNG au moment de l'étude; les étudiants diplômés en SNG Max Carlson et Minh A. Dinh; et Bilge Yildiz, professeur de science et ingénierie nucléaires et de science et ingénierie des matériaux.

Les recherches de l'équipe vont au-delà de la théorie et définissent des principes de conception spécifiques pour les matériaux anti-encrassement. "Un aspect important de notre projet était de trouver une solution pratique au problème d'aujourd'hui - pas de tarte dans le ciel pour la génération de nos enfants, mais quelque chose qui doit fonctionner avec tout ce qui existe maintenant, " dit Court.

Exelon, l'un des plus gros producteurs d'électricité du pays, est suffisamment confiant dans la viabilité des conceptions anti-encrassement de l'équipe du MIT pour qu'elle ait commencé à planifier leur validation dans l'un de ses réacteurs commerciaux. Dans le domaine très réglementé de l'énergie nucléaire, le temps écoulé entre l'idée de recherche et l'application pourrait établir un record de vitesse.

Les forces derrière CRUD

Short enquête sur CRUD depuis 2010, lorsqu'il rejoint le Consortium for Advanced Simulation of Light Water Reactors (CASL), un projet parrainé par le département américain de l'Énergie pour améliorer les performances des réacteurs nucléaires actuels et futurs. En tant que post-doctorant au MIT, il a développé des modèles informatiques de CRUD.

"Cela m'a fait beaucoup lire sur CRUD, et comment différentes forces de surface peuvent amener les choses à se coller les unes aux autres, tels que les produits de corrosion circulant dans le fluide caloporteur qui s'accumulent sur les crayons combustibles, " dit Short. " Je voulais apprendre comment il s'accumule en premier lieu, et peut-être trouver un moyen d'empêcher réellement la formation de CRUD."

Vers cette fin, il a installé une chambre d'ébullition faite de pièces détachées au sous-sol du bâtiment NW22 pour voir quels matériaux se collaient les uns aux autres, et a reçu une petite subvention pour apprendre à tester la croissance du CRUD dans des conditions de réacteur au Japon. Lui et ses étudiants ont construit une boucle d'écoulement (un moyen de recréer les conditions du réacteur sans rayonnement), et mené une série d'expériences pour voir quels matériaux sont encouragés, et qui a découragé, la croissance du CRUD.

Les chercheurs ont fait flotter une multitude de forces de surface comme candidats à l'origine de l'adhésivité derrière CRUD :liaison hydrogène, magnétisme, charges électrostatiques. Mais grâce à l'expérimentation et à l'analyse informatique, Short et son équipe ont commencé à soupçonner un concurrent négligé :les forces de van der Waals. Découvert par le physicien hollandais du XIXe siècle Johannes Diderik van der Waals, ce sont des forces électriques faibles qui expliquent une partie de l'attraction des molécules entre elles dans le liquide, solides, et des gaz.

"Nous pourrions exclure d'autres forces de surface pour des raisons simples, mais une force que nous ne pouvions pas exclure était van der Waals, " dit Court.

Puis vint une percée majeure :Carlson se souvint d'une équation vieille de 50 ans développée par le physicien russe Evgeny Lifshitz qu'il avait rencontrée lors d'une revue de la littérature sur la science des matériaux.

"La théorie de Lifshitz décrit l'ampleur des forces de van der Waals en fonction des vibrations des électrons, où les électrons de différents matériaux vibrent à différentes fréquences et à différentes amplitudes, comme les trucs flottant dans l'eau de refroidissement, et les matériaux des crayons combustibles, " décrit Short. "Ses calculs nous disent si les matériaux solides ont les mêmes vibrations électroniques que l'eau, rien ne leur collera."

Cette, dit Court, était le moment "Aha" de l'équipe. Si revêtement, la couche externe des crayons combustibles, pourrait être recouvert d'un matériau qui correspond au spectre de fréquence électronique de l'eau de refroidissement, alors ces particules passeraient juste devant le crayon combustible. "La réponse était restée dans la littérature pendant 50 ans, mais personne ne l'a reconnu de cette façon, " dit Court.

"C'était vraiment sortir des sentiers battus, " dit Chris Stanek, un directeur technique au Laboratoire national de Los Alamos engagé dans la modélisation et la simulation avancées de l'énergie nucléaire, qui n'a pas participé à la recherche. "C'était un non conventionnel, Approche du MIT :prendre du recul et examiner la source de l'encrassement, trouver quelque chose que personne d'autre n'avait dans la littérature, puis passer directement aux fondements physiques de CRUD."

Un principe de conception

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, hydrogène, 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."