Il est rare qu'un préadolescent tombe amoureux de la thermodynamique, mais ceux qui sont consumés par une telle passion peuvent s'estimer chanceux de se retrouver dans un endroit comme le MIT. Madhumitha Ravichandran le fait certainement. Un doctorat étudiant en Sciences et Ingénierie Nucléaires (NSE), Ravichandran a découvert pour la première fois les lois de la thermodynamique alors qu'il était collégien à Chennai, Inde. "Ils avaient tout leur sens pour moi, " dit-elle. " En regardant le réfrigérateur à la maison, Je me demandais si je pourrais un jour construire des systèmes énergétiques utilisant ces mêmes principes. C'est comme ça que ça a commencé, et j'ai maintenu cet intérêt depuis."

Elle s'appuie désormais sur ses connaissances en thermodynamique dans les recherches menées dans le laboratoire du professeur assistant NSE Matteo Bucci, son directeur de thèse. Ravichandran et Bucci acquièrent des informations clés sur la « crise de l'ébullition », un problème qui pèse depuis longtemps sur l'industrie de l'énergie.

Ravichandran était bien préparée pour ce travail lorsqu'elle est arrivée au MIT en 2017. En tant qu'étudiante de premier cycle à l'Université Sastra en Inde, elle a poursuivi des recherches sur « les écoulements diphasiques, " examinant les transitions que subit l'eau entre ses formes liquide et gazeuse. Elle a continué à étudier l'évaporation des gouttelettes et les phénomènes associés lors d'un stage début 2017 au Bucci Lab. Ce fut une expérience révélatrice, explique Ravichandran. "De retour à mon université en Inde, seulement 2 à 3 pour cent des étudiants en génie mécanique étaient des femmes, et il n'y avait pas de femmes dans la faculté. C'était la première fois que je faisais face à des inégalités sociales en raison de mon sexe, et j'ai traversé quelques luttes, Pour dire le moins."

Le MIT a offert un contraste bienvenu. "La quantité de liberté qu'on m'a donnée m'a rendu extrêmement heureux, " dit-elle. " J'ai toujours été encouragée à explorer mes idées, et je me suis toujours sentie incluse. » Elle était doublement heureuse car à mi-parcours du stage, elle a appris qu'elle avait été acceptée au programme d'études supérieures du MIT.

En tant que Ph.D. étudiant, ses recherches ont suivi un chemin similaire. Elle continue d'étudier l'ébullition et le transfert de chaleur, mais Bucci a donné à ce travail une certaine urgence supplémentaire. Ils enquêtent maintenant sur la crise d'ébullition susmentionnée, qui affecte les réacteurs nucléaires et d'autres types de centrales électriques qui dépendent de la production de vapeur pour entraîner des turbines. Dans un réacteur nucléaire à eau légère, l'eau est chauffée par des barres de combustible dans lesquelles s'est produite une fission nucléaire. L'élimination de la chaleur est plus efficace lorsque l'eau circulant entre les tiges bout. Cependant, si trop de bulles se forment à la surface, envelopper les crayons combustibles dans une couche de vapeur, le transfert de chaleur est considérablement réduit. Cela diminue non seulement la production d'électricité, cela peut aussi être dangereux car les crayons combustibles doivent être refroidis en permanence pour éviter un accident de fusion redouté.

Les centrales nucléaires fonctionnent à de faibles puissances pour offrir une marge de sécurité suffisante et éviter ainsi qu'un tel scénario ne se produise. Ravichandran pense que ces normes peuvent être trop prudentes, en raison du fait que les gens ne sont pas encore sûrs des conditions qui provoquent la crise bouillante. Cela nuit à la viabilité économique de l'énergie nucléaire, elle dit, à une époque où nous avons désespérément besoin de sources d'énergie sans carbone. Mais Ravichandran et d'autres chercheurs du Bucci Lab commencent à combler des lacunes importantes dans notre compréhension.

Ils ont d'abord mené des expériences pour déterminer à quelle vitesse les bulles se forment lorsque l'eau frappe une surface chaude, la taille des bulles, combien de temps ils grandissent, et comment la température de surface change. "Une expérience type durait deux minutes, mais il a fallu plus de trois semaines pour repérer chaque bulle qui s'est formée et suivre sa croissance et son évolution, ", explique Ravichandran.

Pour rationaliser ce processus, elle et Bucci mettent en œuvre une approche d'apprentissage automatique, basé sur la technologie des réseaux neuronaux. Les réseaux de neurones sont bons pour reconnaître les modèles, y compris ceux associés à la nucléation des bulles. "Ces réseaux sont gourmands en données, " dit Ravichandran. " Plus ils sont alimentés en données, plus ils sont performants. » Les réseaux ont été formés sur des résultats expérimentaux relatifs à la formation de bulles sur différentes surfaces; les réseaux ont ensuite été testés sur des surfaces pour lesquelles les chercheurs du NSE n'avaient pas de données et ne savaient pas à quoi s'attendre.

Après avoir obtenu la validation expérimentale de la sortie des modèles d'apprentissage automatique, l'équipe essaie maintenant de faire en sorte que ces modèles fassent des prédictions fiables quant au moment de la crise de la bulle, lui-même, se produira. Le but ultime est d'avoir un système entièrement autonome qui puisse non seulement prédire la crise bouillante, mais aussi montrer pourquoi cela se produit et arrêter automatiquement les expériences avant que les choses n'aillent trop loin et que l'équipement de laboratoire ne commence à fondre.

En attendant, Ravichandran et Bucci ont fait d'importantes avancées théoriques, dont ils rendent compte dans un article récemment publié pour Lettres de physique appliquée . Il y avait eu un débat au sein de la communauté de l'ingénierie nucléaire pour savoir si la crise d'ébullition était causée par des bulles recouvrant la surface des barres de combustible ou par des bulles qui se formaient les unes sur les autres, s'étendant vers l'extérieur à partir de la surface. Ravichandran et Bucci ont déterminé qu'il s'agit d'un phénomène au niveau de la surface. En outre, ils ont identifié les trois principaux facteurs qui déclenchent la crise d'ébullition. D'abord, il y a le nombre de bulles qui se forment sur une surface donnée, et deuxieme, la taille moyenne des bulles. Le troisième facteur est le produit de la fréquence des bulles (le nombre de bulles se formant en une seconde sur un site donné) et le temps qu'il faut pour qu'une bulle atteigne sa taille maximale.

Ravichandran est heureux d'avoir apporté un nouvel éclairage sur cette question mais reconnaît qu'il reste encore beaucoup de travail à faire. Bien que son programme de recherche soit ambitieux et presque elle n'oublie jamais d'où elle vient et le sentiment d'isolement qu'elle a ressenti lors de ses études en génie au premier cycle. Elle a, de sa propre initiative, mentoré des étudiantes en génie en Inde, fournissant à la fois des conseils de recherche et des conseils de carrière.

"J'ai parfois l'impression qu'il y avait une raison pour laquelle j'ai traversé ces premières épreuves, ", dit Ravichandran. "C'est ce qui m'a fait décider que je veux être éducatrice." Elle est également reconnaissante pour les opportunités qui se sont ouvertes pour elle depuis son arrivée au MIT. elle dit, "Maintenant, j'ai l'impression que les seules limites sur moi sont celles que je me suis imposées."