Hiểu biết mới về truyền nhiệt trong nước sôi có thể cải thiện hiệu suất của các nhà máy điện

Dường như quá trình tưởng chừng như bình thường này lại ẩn chứa nhiều điểm phức tạp thách thức con người từ lâu nhưng vẫn chưa được biết đến một cách đầy đủ.

Các nhà nghiên cứu MIT đã tìm ra một cách phân tích cách dự đoán và ngăn ngừa một khủng hoảng nước sôi. Nguồn: MIT

Hiện tại, các nhà nghiên cứu tại MIT đã tìm ra cách phân tích một trong những vấn đề gai góc nhất mà người ta phải đối mặt là những vấn đề chuyển nhiệt và các công nghệ, trong đó nước sôi đóng vai trò trung tâm: làm như thế nào để dự đoán và ngăn chặn vấn đề nguy hiểm mà chúng ta vẫn gọi là khủng hoảng nước sôi. Đây chính là điểm khi có nhiều bong bóng hình thành trên bề mặt nước được gia nhiệt, chúng kết lại thành một dải hơi liên tục ngăn bất cứ sự truyền nhiệt nào từ bề mặt vào nước.

Những hiện tượng như vậy có thể là nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm hoặc nóng chảy lõi lò phản ứng, vì các nhà máy điện hạt nhân được thiết kế để vận hành ở các mức dưới mức có thể tạo ra một cuộc khủng hoảng nước sôi. Hiểu biết mới này có thể cho phép các nhà máy điện hạt nhân được vận hành theo cách an toàn hơn tại những mức sinh nhiệt cao hơn bằng việc giảm bớt những giới hạn vận hành cần thiết.

Các kết quả nghiên cứu đã được trình bày trong công bố “Percolative Scale-Free Behavior in the Boiling Crisis”, xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters của TS kỹ thuật hạt nhân Matteo Bucci và các học trò Limiao Zhang, Jee Hyun Seong.

“Đây là một hiện tượng vô cùng phức tạp”, Bucci nói, và dẫu nó đã được “nghiên cứu cả thế kỷ thì vẫn còn nhiều điểm gây tranh cãi”. Ngay cả trong thế kỷ 21, anh cho biết, “chúng ta vẫn nói với nhau về một cuộc cách mạng năng lượng, cuộc cách mạng máy tính, các transistor ở cấp độ nano, biết bao nhiêu điều to lớn nhưng trong chính thế kỷ này, và có thể là ngay cả thế kỷ tới, vẫn còn nhiều giới hạn trong hiểu biết về truyền nhiệt”.

Vì các chip máy tính đã nhỏ hơn và hiệu quả hơn, ví dụ như vậy, nhiều bộ xử lý hiệu năng cao có thể đòi hỏi làm lạnh bằng chất lỏng để tản nhiệt, vốn có thể quá sức làm mát của các loại quạt thông thường (một số siêu máy tính, thậm chí cả các máy tính chuyên chơi game hiện đại, đã sẵn sàng dùng nước được bơm vào để làm mát chip). Tương tự, các nhà máy điện có thể sản xuất ra nhiều điện cho năng thế giới, dù chúng dùng nhiên liệu hóa thạch, năng lượng mặt trời hay là nhà máy điện hạt nhân, chủ yếu đều tạo ra điện bằng dùng hơi bước quay turbine.

Trong một nhà máy hạt nhân, nước được làm nóng bằng các thanh nhiên liệu, vốn được gia nhiệt thông qua các phản ứng hạt nhân. Sự lan rộng của nhiệt thông qua các bề mặt kim loại vào nước đóng vai trò truyền dẫn năng lượng từ nhiên liệu sang turbine, nhưng đó cũng là yếu tố quan trọng để ngăn ngừa nhiên liệu khỏi tình trạng quá nhiệt, có thể dẫn đến khả năng nóng chảy. Trong trường hợp này của lò nước sôi, sự hình thành một lớp hơi chia tách chất lỏng khỏi kim loại có thể ngăn chặn sức nóng từ truyền nhiệt, vốn có thể nhanh chóng dẫn đến quá nhiệt.

Vì sự rủi ro đó, các quy định đòi hỏi các nhà máy hạt nhân được phải vận hành tại các dòng chảy nhiệt không quá 75% hạn mức mà người ta vẫn gọi là dòng nhiệt tới hạn (critical heat flux CHF), vốn là mức mà một cuộc khủng hoảng nước sôi có thể được châm ngòi và dẫn đến việc phá hủy các cấu phần tới hạn. Nhưng kể từ khi các vấn đề lý thuyết nền tảng của CHF còn được biết đến vô cùng ít ỏi thì người ta vẫn tranh cãi nhiều về những mức này. Nếu hiện tượng này được hiểu biết cặn kẽ hơn thì các nhà máy hạt nhân có thể được vận hành ở mức nhiệt cao hơn, tạo ra nhiều điện năng hơn từ cùng lượng nhiên liệu, Bucci nói.

Hiểu biết tốt hơn về nước sôi và CHF là “một vấn đề khó khăn bởi đó là vấn đề phi tuyến tính”, và những thay đổi nhỏ trong các vật liệu hoặc cấu tạo bề mặt có thể có nhiều ảnh hưởng lớn đến quá trình này, anh giải thích thêm. Nhưng giờ đây, nhờ các công cụ tên tiến có khả năng nắm bắt các chi tiết của quá trình này trong các thí nghiệm, “chúng tôi đã có khả năng đo đạc và vẽ biểu đồ hiện tượng đó với độ phân giải theo không gian và thời gian cần thiết” để có thể hiểu được một cuộc khủng hoảng nước sôi bắt đầu ở điểm đầu như thế nào.

Nó cho thấy hiện tượng này có mối liên hệ gần gũi với dòng chảy giao thông trong thành phố, hoặc con đường hình thành dịch của bệnh tật ở một khu dân cư. Về bản chất, đó là vấn đề về cách những thứ được kết hợp lại với nhau. Khi số lượng các xe ô tô trong thành phố chạm đến một ngưỡng nhất định, nó tạo thành một thứ gì đó lớn hơn, giống như chúng sẽ chụm lại tại những nơi chốn nhất định và dẫn đến ùn tắc giao thông. Và khi những vật mang dịch bệnh xâm nhập các nơi chốn có đông người qua lại như sân bay hay các khán phòng, những cơ hội bùng phát dịch bệnh đã tăng lên. Các nhà nghiên cứu đã thấy số bong bong trên một bề mặt nước được gia nhiệt cũng dẫn đến một mẫu hình tương tự; phía trên là một sự hội tụ bóng nhất định, điều tất yếu đến là các bong bóng sẽ hội tụ lại, sáp nhập với nhau và hình thành một lớp cách điện trên bề mặt.

“Khủng hoảng nước sôi này về bản chất là kết quả của một sự tích tụ bong bóng được sáp nhập và kết hợp với nhau, vốn là yếu tố dẫn đến khả năng phá vỡ bề mặt nước”, anh nói.

Bởi những điều tương tự, Bucci nói, “chúng ta có thể có cùng cách tiếp cận với mô hình nước sôi như mô hình ùn tắc giao thông”, và những mô hình đó có đã được khám phá ra bản chất. Trên cơ sở các thí nghiệm và phân tích toán học, Bucci và cộng sự đã có khả năng định lượng được hiện tượng này và tìm ra những cách để xác định khi nào hiện tượng các bong bóng sáp nhập sẽ xảy ra. “Chúng tôi đã chứng tỏ rằng việc sử dụng mô hình này, chúng tôi có thể dự báo được khi nào khủng hoảng nước sôi sẽ xảy ra”, dựa trên các mẫu hình và sự mật độ của các bong bóng.

Phân tích của họ cho thấy, kết cấu ở cấp độ nano của bề mặt đóng vai trò quan trọng và là một trong số hầu hết các nhân tố có thể được sử dụng để tạo ra những hiệu chỉnh để có thể tăng CHF, do đó có thể dẫn đến việc truyền nhiệt đáng tin cậy hơn, dẫu áp dụng cho các nhà máy điện, chất làm mát dạng lỏng cho các chip máy tính tiên tiến hoặc nhiều quá trình khác mà việc truyền hình là một yếu tố quan trọng.

“Chúng tôi có thể sử dụng thông tin này không chỉ để dự đoán khả năng khủng hoảng nước sôi mà còn khám phá được các giải pháp, bằng việc thay đổi bề mặt của sự sôi, để tối giản hóa sự tương tác giữa các bong bóng”, Bucci nói. “Chúng tôi đang dùng hiểu biết đó để cải thiện vấn đề bề mặt, vì vậy chúng tôi có thể kiểm soát và tránh được hiện tượng ‘ùn tắc bong bóng’”.

Nếu nghiên cứu này có khả nang thay đổi, dẫn đến việc cho phép vận hành các nhà máy điện hạt nhân ở mức các dòng chảy nhiệt có nhiệt độ cao hơn mà vẫn an toàn – đó là tỷ lệ tại đó nhiệt độ được tiêu hao – hơn những gì diễn ra hiện nay thì tác động của nó có thể có ý nghĩa. “Nếu anh có thể chứng tỏ rằng điều khiển được bề mặt, anh có thể tăng dòng chảy nhiệt tới hạn khoảng 10 đến 20%, anh có thể gia tăng lượng điện năng trên cùng một số lượng nhiên liệu, do đó sử dụng tốt hơn nhiên liệu và các nguồn cung cấp sẵn có”, Bucci nói.