操纵“沸腾危机”可提高发电量

烧开水，这看似简单的行为却是人类古老的发明之一，也是当今众多科学技术的演变原型，无论是咖啡机还是核电站，都离不开它。然而，这一表面看似简单的过程，实际上却因其复杂性导致人们难以深入理解。
　　最近，麻省理工学院核工程助理教授Matteo Bucci和研究生Limiao Zhang、Jee Hyun Seong在《物理评论快报》上发表了一篇论文，介绍了其研究成果。他们通过研究沸腾现象在热交换技术中如何发挥其核心作用，来预测一种叫做“沸腾危机”的现象所导致的潜在危险。这种现象发生在当过多的高热流气泡在热水表面形成时, 它们会相互合并成一层蒸汽带，从而阻碍从其内部正常热传递。
　　随着计算机芯片变得更小，功能更强大，一些高性能处理器可能需要液体冷却来散热。而世界上大部分电力发电厂，无论是化石燃料、太阳能还是核电站，主要还是通过产生蒸汽来驱动涡轮机发电。
　　在核电站里，水由燃料棒加热，燃料棒通过核反应加热，通过金属表面向水中扩散的热量，负责将能量从燃料转移到发电涡轮，但这也是防止燃料过热和可能导致熔毁的关键。在沸腾危机中，液体与金属分离的蒸汽层的形成，可以阻止热量转移及可能导致的快速过热。
　　正是由于这种风险，相关规定要求核电站热通量不能超过临界热通量的75%，而临界热通量可能引发沸腾危机，破坏核电站关键设备部件。但由于人们对临界热通量的理论基础了解甚少，因此对其水平的估计非常保守。Bucci称，如果对这一现象有更大的把握，那么这些核电站有可能在更高热阶下运行，从而使用同样核燃料生产更多电力。
　　Bucci说：“更好地理解沸腾和临界热通量是一个非常困难的问题，因为它是非线性的，材料或表面纹理的微小变化可以产生很大影响。但现在，由于有了能够在实验室实验中捕捉到这一过程细节的更好的仪器，我们已经能够理解一场沸腾危机是如何产生的。”
　　事实证明，这种现象与城市的交通流量，或疾病在人群中的传播方式密切相关。本质上讲，这是一个事物聚在一起的方式问题。
　　当一个城市的汽车数量达到一定阈值时，它们可能会在某些地方聚在一起，造成交通阻塞。而且，当疾病携带者进入机场或礼堂等拥挤的场所时，引发疫情的概率就会增加。研究人员发现，在加热表面上的气泡数量也有类似规律。超过一定的气泡密度，气泡聚集、合并，并在该表面上形成绝缘层的可能性就会增大。他说：“沸腾危机本质上是气泡积聚的结果，这些气泡相互融合、合并，导致了表面破裂。”
　　考虑到这些相似之处，Bucci说：“我们可以汲取灵感，采取同样方法来模拟沸腾，就像用同样方法来模拟交通堵塞一样。”这些模型曾进行大量研究探索，现在基于实验和数学分析，Bucci 和他的同事能够量化这一现象，并找到更好的方法来确定何时会发生这样的气泡合并。“我们证明，使用这种模式，我们可以基于正在形成的气泡的模式和密度，预测沸腾危机何时发生。”
　　Bucci 表示，“我们不仅可以利用这些信息来预测沸腾危机，还可以通过改变沸腾表面来探索解决方案，从而最大限度地减少气泡间的相互作用。沿着这种思路来改善表面，就可以控制和避免‘气泡堵塞’。”
　　如果这项研究能够促成一些改变，使核电站能够在更高的热通量下运行，即散热速度超过目前允许的速度，其影响可能是显著的。Bucci说，“如果能证明通过操纵表面，便可以将临界热通量增加10%~20%，就能更好地利用现有的燃料和资源，从而在全球范围内提高发电量。”