對沸水傳熱的新認識，將有助提高核電站效率！

沸水這個簡單操作是人類最古老的發明之一，也是今天許多技術的核心，從咖啡機到核電站。然而，這個看似簡單的過程卻有著長期以來難以完全理解的複雜性。現在，麻省理工學院研究人員找到了一種方法來分析熱交換器和其他技術所面臨的最棘手的問題之一：如何預測和預防一種被稱為沸騰危機的危險和潛在災難性事件，而沸騰水在這些技術中扮演著核心角色。這是當如此多的氣泡在一個熱的表面形成，合併成一個連續的蒸汽片，阻止任何進一步的傳熱從表面到水。

博科園：這類事件可能導致核電站的弱化或融化，因此核電站的設計運行水平遠低於可能引發沸騰危機的水平。這種新理解可能會降低所需的營業利潤率，從而使這些工廠能夠在更高的產出水平上安全運營。2019年4月5日核工程助理教授Matteo Bucci、研究生張立苗和Jee Hyun Seong在《物理評論快報》上發表了一篇論文，介紹了這一新的研究結果。

這是一個非常複雜的現象，儘管它已經被「研究了一個多世紀，但仍然存在很大的爭議，即使是在21世紀，談論能源革命，計算機革命，納米晶體管，所有偉大的事情。然而，在這個世紀，甚至在下個世紀，這些都受到傳熱的限制。

麻省理工學院研究人員已經找到了一種方法來分析如何預測和防止沸騰危機。沸騰危機是指在一個熱表面上形成了如此多的氣泡，它們合併成一個連續的蒸汽薄片，阻止了從表面到水的任何進一步的熱傳遞。圖片：Massachusetts Institute of Technology

例如，隨著計算機晶元變得更小、功能更強大，一些高性能處理器可能需要液體冷卻來散熱，而對於普通的冷卻風扇來說，液體冷卻散熱太過強烈。(一些超級計算機，甚至一些高端的遊戲pc，已經使用泵送水來冷卻晶元)。同樣，世界上大部分電力的發電廠，無論是化石燃料、太陽能還是核電站，主要通過產生蒸汽來驅動渦輪機發電。在核電站里，水由燃料棒加熱，燃料棒通過核反應加熱水。熱量通過金屬表面擴散到水中，負責將能量從燃料轉移到發電渦輪，但這也是防止燃料過熱並可能導致熔毀的關鍵。在沸騰危機的情況下，從金屬中分離出液體的蒸汽層的形成可以阻止熱量的轉移，並可能導致快速過熱。

由於這種風險，法規要求核電站的熱流密度不能超過臨界熱流密度(CHF)的75%，而臨界熱流密度是可能引發沸騰危機、破壞關鍵部件的熱流密度。但由於對CHF的理論基礎了解甚少，因此對這些水平的估計非常保守。Bucci說，如果對這一現象有更大的把握，那麼這些核電站有可能在更高的溫度下運行，從而用同樣的核燃料生產更多電力。更好地理解沸騰和CHF是「一個如此困難的問題，因為它是非常非線性的」，材料或表面紋理的微小變化可以產生很大影響。但現在，由於有了能夠在實驗室實驗中捕捉到這一過程細節的更好儀器，我們已經能夠以所需的時空解析度實際測量並繪製出這一現象的圖表，從而能夠從一開始就理解一場沸騰危機是如何開始的。

事實證明，這種現象與城市的交通流量或疾病在人群中傳播的方式密切相關。本質上，這是一個事物聚集在一起的方式的問題。當一個城市的汽車數量達到一定閾值時，就有一個更大的閾值。可能會在某些地方擠成一團，造成交通堵塞。而且，當疾病攜帶者進入機場或禮堂等擁擠的場所時，引發疫情的幾率就會增加。研究人員發現，加熱表面上的氣泡數量也有類似規律；超過一定的氣泡密度，氣泡聚集、合併並在該表面形成絕緣層的可能性就會增大。沸騰的危機本質上是氣泡聚集結果，這些氣泡相互融合、合併，導致表面破裂。

由於相似之處，Bucci說，我們可以獲得靈感，用同樣的方法來模擬沸騰，就像用同樣的方法來模擬交通堵塞一樣。這些模型已經得到了很好的探索。現在，在實驗和數學分析的基礎上，Bucci和合著者已經能夠量化這一現象，並找到更好的方法來確定何時會發生這樣的泡沫合併。證明，使用這種模式，可以預測沸騰危機何時會發生，基於正在形成的泡沫的模式和密度。分析顯示，表面的納米結構起著重要作用，這是幾個因素之一，這些因素可能被用來進行調整，從而提高CHF。從而潛在地導致更可靠的傳熱，無論是對發電廠、先進計算機晶元的液體冷卻，還是許多其他傳熱是一個關鍵因素的過程。

不僅可以利用這些信息來預測沸騰危機，還可以通過改變沸騰表面來探索解決方案，從而最大限度地減少氣泡之間的相互作用，利用這種理解來改善表面，這樣我們就可以控制和避免『氣泡堵塞』。如果這項研究能夠實現一些改變，使核電站能夠在更高的熱流密度下安全運行，也就是說，它們散熱的速度比目前允許的要快，其影響可能是顯著的。如果能證明通過控制地表，可以將臨界熱流增加10%到20%，那麼通過更好地利用現有的燃料和資源，就可以在全球範圍內提高同樣數量的發電量。

博科園｜研究/來自: 麻省理工學院/David L. Chandler

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.132001

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