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）
