Le simple fait de faire bouillir de l'eau est l'une des plus anciennes inventions de l'humanité, et toujours au cœur de nombreuses technologies d'aujourd'hui, des cafetières aux centrales nucléaires. Pourtant, ce processus apparemment simple a des complexités qui ont longtemps défié toute compréhension.

Maintenant, des chercheurs du MIT ont trouvé un moyen d'analyser l'un des problèmes les plus épineux auxquels sont confrontés les échangeurs de chaleur et d'autres technologies dans lesquelles l'eau bouillante joue un rôle central :comment prédire, et prévenir, un événement dangereux et potentiellement catastrophique appelé crise bouillante. C'est le moment où tant de bulles se forment sur une surface chaude qu'elles fusionnent en une nappe continue de vapeur qui bloque tout transfert de chaleur supplémentaire de la surface à l'eau.

De tels événements peuvent provoquer un affaiblissement ou une fonte, les centrales nucléaires sont donc conçues pour fonctionner à des niveaux bien inférieurs à ceux qui pourraient déclencher une crise d'ébullition. Cette nouvelle compréhension pourrait permettre à ces centrales de fonctionner en toute sécurité à des niveaux de production plus élevés en réduisant les marges d'exploitation nécessaires.

Les nouveaux résultats sont présentés aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physique dans un article du professeur adjoint d'ingénierie nucléaire Matteo Bucci et des étudiants diplômés Limiao Zhang et Jee Hyun Seong.

"C'est un phénomène très complexe, " Bucci dit, et bien qu'il ait été « étudié depuis plus d'un siècle, c'est encore très controversé. » Même au 21e siècle, il dit, "on parle d'une révolution énergétique, une révolution informatique, transistors nanométriques, toutes sortes de grandes choses. Encore, encore en ce siècle, et peut-être même au siècle prochain, ceux-ci sont tous limités par le transfert de chaleur."

À mesure que les puces informatiques deviennent plus petites et plus puissantes, par exemple, certains processeurs hautes performances peuvent nécessiter un refroidissement liquide pour dissiper la chaleur qui peut être trop intense pour les ventilateurs de refroidissement ordinaires. (Certains supercalculateurs, et même certains PC de jeu haut de gamme, utilisent déjà de l'eau pompée pour refroidir leurs chips). De même, les centrales électriques qui produisent l'essentiel de l'électricité mondiale, qu'il s'agisse de combustibles fossiles, solaire, ou des centrales nucléaires, produisent principalement de l'électricité en générant de la vapeur pour faire tourner des turbines.

Dans une centrale nucléaire, l'eau est chauffée par les crayons combustibles, qui se réchauffent par réaction nucléaire. La propagation de la chaleur à travers les surfaces métalliques vers l'eau est responsable du transfert d'énergie du carburant à la turbine génératrice, mais il est également essentiel d'empêcher le carburant de surchauffer et d'entraîner potentiellement une fusion. En cas de crise bouillante, la formation d'une couche de vapeur séparant le liquide du métal peut empêcher le transfert de chaleur, et peut entraîner une surchauffe rapide.

En raison de ce risque, les réglementations exigent que les centrales nucléaires fonctionnent à des flux de chaleur qui ne dépassent pas 75 pour cent du niveau connu sous le nom de flux de chaleur critique (CHF), qui est le niveau auquel une crise d'ébullition pourrait être déclenchée qui pourrait endommager les composants critiques. Mais comme les fondements théoriques du CHF sont mal compris, ces niveaux sont estimés de manière très prudente. Il est possible que ces usines fonctionnent à des niveaux de chaleur plus élevés, produisant ainsi plus d'électricité à partir du même combustible nucléaire, si le phénomène est compris avec plus de certitude, dit Bucci.

Une meilleure compréhension de l'ébullition et du CHF est "un problème si difficile car il est très non linéaire, " et de petits changements dans les matériaux ou les textures de surface peuvent avoir de grands effets, il dit. Mais maintenant, grâce à de meilleurs instruments capables de capturer les détails du processus dans les expériences de laboratoire, « nous avons été en mesure de mesurer et de cartographier le phénomène avec la résolution spatiale et temporelle requise » pour être en mesure de comprendre comment une crise en ébullition commence en premier lieu.

Il s'avère que le phénomène est étroitement lié à la fluidité du trafic dans une ville, ou à la façon dont une épidémie se propage à travers une population. Essentiellement, c'est une question de la façon dont les choses s'agglutinent.

Lorsque le nombre de voitures dans une ville atteint un certain seuil, il y a une plus grande

probabilité qu'ils se regroupent à certains endroits et provoquent un embouteillage. Et, lorsque des porteurs de maladies pénètrent dans des endroits bondés comme les aéroports ou les auditoriums, les chances de déclencher une épidémie sont augmentées. Les chercheurs ont découvert que la population de bulles sur une surface chauffée suit un schéma similaire; au-dessus d'une certaine densité de bulles, la probabilité augmente que les bulles s'entassent, fusionner, et former une couche isolante sur cette surface.

"La crise de l'ébullition est essentiellement le résultat d'une accumulation de bulles qui se confondent et se confondent, ce qui conduit à la rupture de la surface, " il dit.

En raison des similitudes, Bucci dit, "on peut s'inspirer, adopter la même approche pour modéliser l'ébullition que celle utilisée pour modéliser les embouteillages, " et ces modèles ont déjà été bien explorés. Maintenant, basé à la fois sur des expériences et une analyse mathématique, Bucci et ses co-auteurs ont pu quantifier le phénomène et trouver de meilleurs moyens de déterminer quand le début de telles fusions de bulles aura lieu. "Nous avons montré qu'en utilisant ce paradigme, nous pouvons prédire quand la crise d'ébullition se produira, " sur la base des motifs et de la densité des bulles qui se forment.

La texture nanométrique de la surface joue un rôle important, l'analyse montre, et c'est l'un des nombreux facteurs qui pourraient être utilisés pour faire des ajustements qui pourraient augmenter le CHF, et ainsi potentiellement conduire à un transfert de chaleur plus fiable, que ce soit pour les centrales électriques, refroidissement liquide pour puces informatiques avancées, ou de nombreux autres processus où le transfert de chaleur est un facteur crucial.

"Nous pouvons utiliser ces informations non seulement pour prédire la crise d'ébullition, mais aussi pour explorer des solutions, en changeant la surface d'ébullition, minimiser l'interaction entre les bulles, " dit Bucci. " Nous utilisons cette compréhension pour améliorer la surface, afin que nous puissions contrôler et éviter le « bourrage de bulles ». »

Si cette recherche permet des changements qui pourraient permettre l'exploitation sûre des centrales nucléaires à des flux de chaleur plus élevés, c'est-à-dire la vitesse à laquelle ils dissipent la chaleur - que ce qui est actuellement autorisé, l'impact pourrait être important. "Si vous pouvez montrer cela en manipulant la surface, vous pouvez augmenter le flux de chaleur critique de 10 à 20 pour cent, alors vous augmentez la puissance produite par la même quantité, à l'échelle mondiale, en utilisant mieux le carburant et les ressources qui sont déjà là, " dit Bucci.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.