降低核電廠風險,奈米晶片有助提升核設備耐熱度

作者 | 發布日期 2018 年 10 月 04 日 10:32 | 分類 核能 , 能源科技 follow us in feedly

對於核能業者來說,最傷腦筋的莫過於如何提升核電廠安全性,各國皆絞盡腦汁想要強化核安全與應急設備,而近期夏威夷大學馬諾阿分校對此提出解決方案,透過奈米級雙層晶片進行熱表面處理,提升臨界熱通量 10%,有效提高核設備的耐熱程度。



核電廠運作模式主要利用核分裂所產生的熱,讓水直接沸騰變成高壓蒸汽,進而驅動渦輪機,並透過發電機轉換為電能。只不過核能在加熱過程中會產生放射性物質,若處理不當,輻射會嚴重影響環境生態及人體健康,因此近年來眾多廠商都希望可在提升發電量之餘,也讓民眾能安心使用核電,致力於減少核災事故與反應爐過熱發生機率。

在核電廠與金屬鑄造等極熱設備中,核沸騰(boiling)被用來當作熱傳機制,雖然名字看起來跟加熱比較有關,但實際上算是冷卻機制的一部分。這是因為在物質三態中,若物質在溫度沒有變化的情況下發生物態轉換,其會吸收或釋放熱量(也被稱為潛熱,latent heat),而反應爐可透過吸收熱將水直接蒸發成水蒸氣,進而散去表面的熱量。

但該做法效果有限,因此增加設備的耐熱度是相當重要的。其中臨界熱通量為耐熱度重要指標,當熱通量達到一定數值時,加熱表面會開始產生氣泡,而隨著溫度持續升高,熱通量增加到某一程度,氣泡會幾乎占滿加熱表面,最後便達到臨界熱通量,該數值可說是點燃材料所需之最小熱通量,數值越高物質就越不容易點燃。

夏威夷大學馬諾阿分校工程學院機械工程助理教授 Sangwoo Shin 指出,如果表面溫度非常高,附近的水很快就會變成水蒸氣,不會留下任何液體來冷卻表面。

若是無法有效冷卻表面,可能會讓金屬表面熔化,就好比 2011 年日本核災,當時地震引發的海嘯讓核反應爐的電力與冷卻系統失效,造成反應爐無法及時冷卻而熔化,最後面臨爐心熔毀的命運。

目前提升臨界熱通量的最有效的方式是採用奈米結構,尤其是利用奈米線讓表面更加粗糙,提升表面粗糙度就可讓沸騰起泡的面積增加,進而提高臨界熱通量。研究也發現,核反應爐的沸騰傳熱(boiling heat)特性有利於團隊的新概念──在熱表面上覆塗奈米雙層晶片,該晶片是一種長條型金屬,受熱時會彎曲膨脹進而提升表面積,而最後實驗結果也符合團隊期待,比起以往的設備,新型技術讓臨界熱通量提高 10%。

Shin 表示,未來團隊可以藉由選擇最佳材料與形狀的奈米雙層晶片,進一步提高臨界熱通量,而這也將有助於為極熱系統開發出新型節能技術。目前該研究已發表在《Nano Letters》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖來源:夏威夷大學馬諾阿分校