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降低核电厂风险,奈米芯片有助提升核设备耐热度

2024-11-02 211

对于核能业者来说,最伤脑筋的莫过于如何提升核电厂安全性,各国皆绞尽脑汁想要强化核安全与应急设备,而近期夏威夷大学马诺阿分校对此提出解决方案,透过奈米级双层芯片进行热表面处理,提升临界热通量 10%,有效提高核设备的耐热程度。

核电厂运作模式主要利用核分裂所产生的热,让水直接沸腾变成高压蒸汽,进而驱动涡轮机,并透过发电机转换为电能。只不过核能在加热过程中会产生放射性物质,若处理不当,辐射会严重影响环境生态及人体健康,因此近年来众多厂商都希望可在提升发电量之余,也让民众能安心使用核电,致力于减少核灾事故与反应炉过热发生概率。

在核电厂与金属铸造等极热设备中,核沸腾(boiling)被用来当作热传机制,虽然名字看起来跟加热比较有关,但实际上算是冷却机制的一部分。这是因为在物质三态中,若物质在温度没有变化的情况下发生物态转换,其会吸收或释放热量(也被称为潜热,latent heat),而反应炉可透过吸收热将水直接蒸发成水蒸气,进而散去表面的热量。

但该做法效果有限,因此增加设备的耐热度是相当重要的。其中临界热通量为耐热度重要指标,当热通量达到一定数值时,加热表面会开始产生气泡,而随着温度持续升高,热通量增加到某一程度,气泡会几乎占满加热表面,最后便达到临界热通量,该数值可说是点燃材料所需之最小热通量,数值越高物质就越不容易点燃。

夏威夷大学马诺阿分校工程学院机械工程助理教授 Sangwoo Shin 指出,如果表面温度非常高,附近的水很快就会变成水蒸气,不会留下任何液体来冷却表面。

若是无法有效冷却表面,可能会让金属表面熔化,就好比 2011 年日本核灾,当时地震引发的海啸让核反应炉的电力与冷却系统失效,造成反应炉无法及时冷却而熔化,最后面临炉心熔毁的命运。

目前提升临界热通量的最有效的方式是采用奈米结构,尤其是利用奈米线让表面更加粗糙,提升表面粗糙度就可让沸腾起泡的面积增加,进而提高临界热通量。研究也发现,核反应炉的沸腾传热(boiling heat)特性有利于团队的新概念──在热表面上覆涂奈米双层芯片,该芯片是一种长条型金属,受热时会弯曲膨胀进而提升表面积,而最后实验结果也符合团队期待,比起以往的设备,新型技术让临界热通量提高 10%。

Shin 表示,未来团队可以借由选择最佳材料与形状的奈米双层芯片,进一步提高临界热通量,而这也将有助于为极热系统开发出新型节能技术。目前该研究已发表在《Nano Letters》。

  • New concept to cool boiling surface may help prevent nuclear power plant accidents

(本文由 EnergyTrend 授权转载;首图来源:夏威夷大学马诺阿分校)

2019-03-11 07:31:00

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