Процедура кипячения воды – одно из древнейших изобретений человечества, которое до сих пор занимает центральное место во многих современных технологиях, начиная от кофеварок и заканчивая атомными электростанциями. Однако этот, казалось бы, простейший процесс имеет элементы, которые уже долгое время не поддаются полному пониманию.
Недавно исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) нашли способ проанализировать одну из самых острых проблем теплообменников и других подобных технологий, в которых кипячение воды играет центральную роль. Речь идет о прогнозировании и предотвращении опасного и потенциально катастрофического события, называемого кризисом кипения. Это точка, при которой на горячей поверхности образуется так много пузырьков, что они объединяются в непрерывный слой пара, блокирующий любую дальнейшую передачу тепла от поверхности к воде.
Подобные процессы могут вызвать ослабление или плавление, поэтому атомные станции рассчитаны на работу на уровнях, намного ниже тех, которые могут вызвать кризис кипения. Однако новое понимание процедуры кипячения может позволить таким установкам безопасно работать и на более высоких значениях выработки путем снижения ограничений.
Новые результаты были представлены вчера, 5 апреля, в журнале Physical Review Letters в статье доцента ядерной инженерии Маттео Буччи, а также аспирантов Лимяо Чжана и Джи Хён Сонга.
«Это очень комплексное явление», – отмечает Буччи, хоть оно и было «изучено более ста лет назад, в нем все еще имеется множество спорных моментов. Мы постоянно говорим об энергетической и компьютерной революциях, а также о наноразмерных транзисторах и других великих вещах. Тем не менее, в этом столетии, а может быть даже и в следующем, все они будут ограничены теплопередачей».
Например, по мере того, как компьютерные чипы становятся меньше и мощнее, некоторым высокопроизводительным процессорам может потребоваться жидкостное охлаждение для рассеивания тепла, которое может оказаться слишком интенсивным для обычных вентиляторов. (многие суперкомпьютеры и даже некоторые высококлассные игровые ПК уже используют воду для охлаждения своих чипов). Электростанции, которые производят большую часть мировой электроэнергии, будь то газовые, солнечные или атомные, в основном вырабатывают энергию, генерируя пар для вращения турбин.
На атомной электростанции температура воды повышается топливными стержнями, которые нагреваются в результате ядерных реакций. Распределение тепла от металлических поверхностей к воде отвечает за передачу энергии от топлива к генерирующей турбине, но оно также является ключом к предотвращению перегрева топлива и потенциальному возникновению плавления. В случае кризиса кипения образование слоя пара, отделяющего жидкость от металла, может предотвратить передачу тепла и привести к быстрому перегреву.
Из-за этого риска нормативные акты требуют, чтобы атомные станции работали на тепловых потоках, не превышающих 75 процентов от уровня, известного как критический тепловой поток (КТП), при котором может возникнуть кризис кипения, способный повредить критические компоненты. Но поскольку теоретические основы КТП плохо изучены, эти уровни оцениваются очень консервативно. Возможно, что эти установки могли бы эксплуатироваться при более высоких тепловых значениях, тем самым производя больше энергии из того же количества ядерного топлива, отмечает Буччи.
По его словам, более глубокое понимание кипения и КТП – «очень сложная проблема, потому что эти процессы нелинейные», и даже небольшие изменения в материалах или текстурах поверхности могут иметь большие последствия. Но теперь, благодаря улучшенным инструментам, способным фиксировать детали процесса в лабораторных условиях, «мы смогли реально измерить и тщательно изучить это явление», чтобы понять, как именно начинается кризис кипения.
Оказывается, оно тесно связано с движением транспорта в городе или с тем, как вспышка болезни распространяется среди населения. По сути, это вопрос того, как количество может повлиять на вероятность возникновения определенных процессов.
Когда количество автомобилей в городе достигает определенного порога, вероятность того, что они соберутся в определенных местах и вызовут пробку, повышается. И когда носители болезней попадают в многолюдные места, такие как аэропорты или учебные аудитории, шансы вызвать эпидемию возрастают. Исследователи обнаружили, что популяция пузырьков на нагретой поверхности имеет сходную картину; когда плотность пузырьков превышает определенное значение, возрастает вероятность того, что они начнут собираться, сливаться и образовывать изолирующий слой на этой поверхности.
«Кризис кипения, по сути, является результатом скопления пузырьков, которые собираются и сливаются друг с другом, что приводит к разрушению поверхности», – отмечает специалист.
Учитывая сходства, сообщает Буччи, «мы можем черпать вдохновение и использовать при моделировании кипения тот же подход, который используется для моделирования пробок», а эти модели уже хорошо изучены. Основываясь как на экспериментах, так и на математическом анализе, Буччи и его коллеги смогли количественно оценить это явление и найти более эффективные способы определения того, когда произойдет слияние пузырей. «Мы обнаружили, что, используя эту парадигму, мы можем предсказывать, когда наступит кризис кипения».
Проведенный анализ показывает, что наноразмерная текстура поверхности играет важную роль в этом процессе, и может стать одним из нескольких факторов, которые можно использовать для повышения КТП.
«Мы можем использовать эту информацию не только для прогнозирования кризиса кипения, но и для поиска решений проблемы путем изменения поверхности кипения, чтобы минимизировать взаимодействие между пузырьками», – заявляет Буччи. «Мы используем эти знания для улучшения поверхности и контролирования числа пузырьков».
Если это исследование позволит внести изменения в работу атомных станций, то их эффективность может возрасти на 10-20 процентов, что в глобальном масштабе даст значительный прирост к производству электроэнергии.