Natura podpowiedziała fizykom, jak taniej robić prąd
Zamiast po raz kolejny poprawiać klasyczne cylindry, zespół naukowców świadomie wyszedł poza utarte schematy i spojrzał tam, gdzie inżynierowie w energetyce wciąż zaglądają rzadko: na rozwiązania od dawna obecne w przyrodzie. Struktury wewnątrz ludzkich kości, delikatne skrzydła motyli czy skorupy jeżowców mają wspólny mianownik: są lekkie, a jednocześnie zadziwiająco wytrzymałe i bardzo sprawne w rozpraszaniu ciepła. Matematycy opisują je za pomocą tzw. potrójnie periodycznych powierzchni minimalnych TPMS, które można zamienić w trójwymiarową, powtarzalną kratownicę. Badacze z Idaho National Laboratory poszli o krok dalej i zapytali wprost: co się stanie, jeśli taką kratę wypełnimy paliwem jądrowym?
Czytaj też: Natura stworzyła idealny katalizator ukryty w bagnach. Naukowcy właśnie odkryli jak wykorzystać torf zamiast drogocennych metali
Nowa koncepcja o nazwie INFLUX (Intertwined Nuclear Fuel Lattice for Uprated heat eXchange) nie sprowadza się do kolejnej kosmetycznej poprawki składu paliwa, lecz do całkowitego przemyślenia tego, jak paliwo styka się z chłodziwem. Zamiast gładkiego pręta mamy ażurowy, gładko wykrzywiony labirynt kanałów, przez które czynnik chłodzący musi się przeciskać. Taka geometria dramatycznie zwiększa powierzchnię wymiany ciepła i generuje korzystne zawirowania przepływu, dzięki czemu ta sama ilość materiału rozszczepialnego może oddać do obiegu znacznie więcej energii.
Pierwsze eksperymenty pokazują, że mówimy o zyskach rzędu kilku razy względem klasycznego paliwa prętowego, a ich realizacja stała się możliwa dopiero teraz, gdy druk 3D i prasowanie izostatyczne na gorąco są w stanie poradzić sobie z tak złożonym kształtem w materiałach spełniających normy energetyki jądrowej.
Trzykrotnie większa wydajność jądrowa
Eksperymenty laboratoryjne potwierdziły, że intuicja naukowców była słuszna. Struktura INFLUX przenosi ciepło około trzy razy efektywniej niż standardowe paliwo prętowe. Testy zostały przeprowadzone z różnymi chłodziwami, zarówno gazowymi, jak i ciekłymi, przekładając się na porównywalne rezultaty.
Podsumowując, ta geometria rzeczywiście potraja współczynnik przenikania ciepła w porównaniu ze standardowym paliwem prętowym. To duża sprawa. Ma to bezpośredni wpływ na gęstość mocy pręta paliwowego, a tym samym na ekonomię reaktora jądrowego – Nicolas Woolstenhulme, badacz z Idaho National Laboratory
Działanie nowej struktury opiera się na zmuszeniu czynnika chłodzącego do przepływu przez bardziej krętą i rozgałęzioną ścieżkę. Znacznie zwiększa to powierzchnię kontaktu między paliwem a chłodziwem, co z kolei przekłada się na znakomitą wymianę ciepła. Otwiera to drogę do projektowania cieńszych elementów paliwowych, pracujących w niższych temperaturach i mniej narażonych na naprężenia termiczne. Poza samą wydajnością struktura kratowa ogranicza również ucieczkę neutronów z rdzenia, co poprawia wykorzystanie materiału rozszczepialnego. W hipotetycznych scenariuszach awaryjnych, na przykład przy utracie chłodziwa, takie paliwo ostygałoby też znacznie szybciej, co jest bezpośrednim wzmocnieniem bezpieczeństwa.
Jak wielki potencjał drzemie w “nowym pręcie”?
Potrojenie współczynnika przenikania ciepła nie jest wyłącznie efektowną liczbą do tabeli w publikacji. To parametr, który wprost przekłada się na gęstość mocy rdzenia, czyli ilość energii, jaką da się uzyskać z określonej objętości paliwa. Im sprawniej paliwo oddaje ciepło, tym niższa pozostaje temperatura jego wnętrza przy tej samej mocy, a więc tym większy margines bezpieczeństwa dzieli je od granicznych wartości pracy materiału i chłodziwa. W skali całej elektrowni otwiera to dwie drogi, bo albo można zbudować bardziej kompaktowy reaktor o tej samej mocy, albo zwiększyć moc istniejącej konstrukcji bez naruszania rygorystycznych limitów bezpieczeństwa termicznego.
Co istotne, zespół z Idaho nie poprzestał na komputerowych symulacjach. Aby sprawdzić, czy geometryczna łamigłówka faktycznie zachowuje się jak wymarzony wymiennik ciepła, najpierw wydrukował przewodzący prąd model kraty INFLUX z kompozytu polimerowo metalowego, w którego wnętrzu umieszczono gęstą sieć czujników temperatury. Następnie naukowcy nagrzewali całą strukturę impulsami elektrycznymi, odtwarzając sposób, w jaki rozgrzewa się paliwo w prawdziwym reaktorze i przepuszczali przez nią różne media chłodzące, zarówno gazowe, jak i ciekłe. Dopiero takie połączenie eksperymentu z pomiarami rozkładu temperatur pozwoliło z dużą dokładnością policzyć, ile w praktyce daje sama zmiana kształtu w porównaniu z klasycznym prętem paliwowym.
Warto też podkreślić, że potrójnie periodyczne powierzchnie minimalne nie są już egzotyką z marginesu matematyki. Od lat pojawiają się w projektach lekkich, drukowanych elementów konstrukcyjnych, implantów medycznych czy zaawansowanych wymienników ciepła dla przemysłu lotniczego i energetycznego. Ich wysoka powierzchnia właściwa, możliwość kształtowania przepływu i korzystny rozkład naprężeń sprawiają, że świetnie nadają się wszędzie tam, gdzie trzeba połączyć małą masę z efektywnym transportem ciepła. Włączenie takiej geometrii do wnętrza rdzenia reaktora nie jest więc całkowitym skokiem w ciemność, lecz próbą wykorzystania w atomie doświadczeń z innych gałęzi zaawansowanego druku 3D.
Od prototypu do reaktora
Droga od koncepcji do komercyjnego zastosowania w reaktorze jest jednak długa i pełna wyzwań. Największym z nich jest opracowanie metody masowej produkcji tak skomplikowanych struktur z materiałów klasy jądrowej. Zespół z Idaho opracował hybrydowe podejście, łączące zaawansowany druk 3D z prasowaniem izostatycznym na gorąco, co pozwoliło na stworzenie pierwszych prototypów. Nie każdy typ reaktora skorzysta na tej technologii w takim samym stopniu. Wydaje się, że naturalnymi kandydatami są mikroreaktory, wymagające bardzo kompaktowych i wydajnych rdzeni oraz reaktory chłodzone gazem. Kolejne prace badawcze będą skupiać się właśnie na identyfikacji najbardziej obiecujących zastosowań i dalszym skalowaniu procesu produkcyjnego.
Czytaj też: Ścieli rachunki o ponad połowę. Jedna pompa ciepła to przeżytek na tle tej “prywatnej elektrowni”
Wstępne założenia się potwierdziły, bo paliwo o kształcie zapożyczonym od natury może stworzyć wydajniejszy i bardziej zwarty rdzeń reaktora. Jest to wprawdzie dopiero początek długiego procesu walidacji i testów, ale pierwszy krok został wykonany. Jeśli uda się pokonać bariery technologiczne i ekonomiczne, tego typu innowacje mogą w przyszłości nadać energetyce jądrowej nowy, bardziej efektywny impuls.