作者:莱达·齐默曼，麻省理工学院 研究人员设计了一种实用的解决方案来防止核系统中的腐蚀积累
图为标准反应堆锆合金样品，有无防积垢涂层
在我们的流动反应器实验中，左边未涂覆的样品被积垢覆盖，而两个涂覆的样品出来时和进去时一样干净
学分:迈克·肖特/核科学与工程系 当堵塞和腐蚀威胁到住宅用水和供暖系统时，房主可以简单地叫一个水管工来疏通下水道或更换管道
核电站的运营商可没这么幸运
金属氧化物颗粒，在核能世界中被统称为CRUD，直接堆积在反应堆燃料棒上，阻碍了核电站产生热量的能力
这些污染物每年给核能工业造成数百万美元的损失
这个问题从20世纪60年代开始就困扰着核能行业，科学家们只找到了缓解而不是治愈积垢的方法
但这种情况可能会改变
“我们相信我们已经解决了积垢问题，”核科学与工程(NSE)42级副教授、研究负责人迈克尔·肖特说
“到目前为止，我们做的每一项测试看起来都不错
" 在美国化学学会杂志《朗缪尔》最近在线发表的一篇论文中，肖特和麻省理工学院的同事描述了他们的工作，为设计用于核反应堆和其他大型能源系统的防污材料提供了一种新的方法
这篇论文的合著者是Cigdem Toparli，他是研究时NSE的博士后；神经元特异性烯醇化酶研究生马克斯·卡尔森和明·阿
Dinh和核科学与工程以及材料科学与工程教授伊尔迪兹
该团队的研究超越了理论，为防污染材料制定了具体的设计原则
肖特说:“我们项目的一个重要方面是为今天的问题找到一个切实可行的解决方案——对我们的下一代来说不是天上掉馅饼，而是必须与现在存在的一切一起工作。”
作为美国最大的发电机之一，埃克塞隆对麻省理工学院团队的防污染设计的可行性充满信心，已经开始制定计划，在其商业反应堆中验证这些设计
在核能这一受到高度监管的领域，从研究想法到应用的时间可能会创下速度纪录
CRUD背后的力量 肖特从2010年开始研究积垢，当时他加入了轻水反应堆高级模拟联盟(CASL)，这是一个由美国政府资助的项目
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能源部改进当前和未来核反应堆的性能
作为麻省理工学院的博士后，他开发了CRUD的计算机模型
肖特说:“这让我读了很多关于积垢的知识，以及不同的表面力是如何导致物体相互粘附的，比如在燃料棒上积累的冷却液中循环的腐蚀产物。”
“我首先想了解它是如何积累的，也许能找到一种方法来真正防止积垢的形成
" 为此，他在NW22大楼的地下室建立了一个由备件制成的沸腾室，以观察哪些材料相互粘附，并获得了一笔小额赠款，用于学习如何在日本的反应堆条件下测试积垢的增长
他和他的学生建立了一个流动回路(一种在没有辐射的情况下重新创造反应堆条件的方法)，并进行了一系列实验，以观察哪些材料鼓励、哪些材料抑制了原油的增长
研究人员提出了一系列表面力作为引起原油粘性的候选因素:氢键、磁性、静电荷
但是通过实验和计算分析，肖特和他的团队开始怀疑一个被忽视的竞争者:范德华力
19世纪荷兰物理学家约翰尼斯·迪德里克·范·德·瓦耳斯发现了这些微弱的电作用力，它们解释了液体、固体和气体中分子间相互吸引的部分原因
肖特说:“出于简单的原因，我们可以排除其他表面力，但有一种力我们不能排除，那就是范德华力。”
后来出现了一个重大突破:卡尔森回忆起俄罗斯物理学家叶夫根尼·利弗什茨在回顾材料科学文献时发现的一个50年前的方程
肖特说:“利弗希茨的理论根据电子振动描述了范德瓦尔斯力的大小，不同材料中的电子以不同的频率和振幅振动，例如漂浮在冷却液中的物质和燃料棒材料。”
“他的数学告诉我们，如果固体材料具有与水相同的电子振动，没有什么会粘在它们身上
" 肖特说，这是团队的“啊哈”时刻
如果燃料棒的外层包覆层可以涂上与冷却水的电子频谱相匹配的材料，那么这些粒子就会滑过燃料棒
肖特说:“答案在文献中已经存在了50年，但是没有人以这种方式认识到它。”
洛斯阿拉莫斯国家实验室从事核能高级建模和模拟的技术主管克里斯·斯坦内克(Chris Stanek)说:“这是真正的跳出框框思考。”他没有参与这项研究
“这是一种非常规的麻省理工学院的方法——退后一步，看看污垢的来源，找到文献中没有的东西，然后直接进入污垢的物理基础
" 一个设计原则 研究人员开始证明范德华力是原油粘性背后唯一最重要的表面力
为了寻找一种简单而统一的方法来计算材料的分子频率，他们抓住了光折射指数——一种测量光穿过材料时弯曲程度的指标
他们用校准过的发光二极管灯照射材料样本，绘制出核燃料和包层材料的光学特性图
这使他们能够根据粘性等级对材料进行评级
根据立夫希茨的理论，具有相同光学性质的材料彼此之间会很光滑，而那些在折射光尺度上相距很远的材料会粘在一起
正如该论文所描述的，在研究结束时，肖特的团队不仅提出了防污材料的设计原则，还提出了一组候选涂层，这些涂层的光学特性使它们成为冷却液的良好(光滑)匹配
但是在实际实验中，他们的一些涂层不起作用
肖特说:“仅仅获得正确的折射率是不够的。”
“材料必须坚硬、耐辐射、耐氢和耐腐蚀，并且能够大规模制造
" 额外的试验，包括在麻省理工学院核反应堆实验室恶劣环境中的试验，已经产生了一些满足这些苛刻标准的涂层材料
最后一步是确定这些材料是否能阻止原油在真正的反应堆中生长
这是一项测试，预计明年开始，在埃克塞特的一个商业核电站进行
肖特说:“涂有防污材料的燃料棒将进入运行中的商用反应堆，为电网供电。”
肖特说:“每隔一段时间，他们就会出来接受检查，如果一切顺利，我们的燃料棒是干净的，隔壁的是脏的。”
“我们离停止这种类型反应堆中的积垢可能还有很长一段时间，如果我们消除积垢，我们就消除了该行业的灾难
"
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