研究人員已經設計出一種實用的解決方案，用于防止核系統中的腐蝕堆積。圖像顯示了帶有和不帶有耐CRUD涂層的標準反應堆鋯合金樣品。在實時反應堆實驗中，左側未鍍膜的樣品被CRUD覆蓋，而兩個鍍膜的樣品在進入時就干凈了。這項研究為防止核工業腐蝕提供了一個新穎方法。相關研究成果發表在Langmuir上。

核電廠運行過程中金屬氧化物顆粒(在核能界統稱為CRUD)經常直接堆積在反應堆的燃料棒上，從而阻礙了核電廠產生熱量的能力。這些污垢每年使核能行業損失數百萬美元。

自20世紀60年代開始，這個問題就困擾著核能工業，科學家們只找到了減輕但未徹底解決CRUD堆積方法。但這可能會改變。“我們相信我們已經破解了CRUD問題，” 42歲的核科學與工程(NSE)副教授和研究負責人Michael Short說。“到目前為止，我們所做的每項測試都看起來不錯。”

肖特和麻省理工學院的同事在最近由美國化學學會雜志的Langmuir在線發表的一篇論文中描述了他們的研究工作，該工作為設計用于核反應堆和其他大規模能源系統的耐污垢材料提供了一種新穎方法。

該團隊的研究超出了理論范圍，并提出了防污材料的特定設計原則。

美國最大的發電商之一Exelon公司對麻省理工學院團隊的防污劑設計的可行性很有信心，已經開始計劃在一個商業反應堆中進行驗證。在受到嚴格監管的核能領域，從研究構想到應用的時間可以創下新記錄。

CRUD背后的力量

肖特自2010年以來就一直在研究CRUD，做了大量關于CRUD的研究工作。當時他加入了輕水堆高級模擬聯盟(CASL)，該聯盟由美國能源部贊助，旨在改善當前和未來核反應堆性能。作為麻省理工學院的博士后，他開發了CRUD的計算機模型。

研究人員將大量表面力作為導致CRUD背后粘性的候選因素：氫鍵，磁性，靜電荷。但是通過實驗和計算分析，肖特和他的團隊開始懷疑一個被忽視因素：范德華力。這些是弱電，由19世紀的荷蘭物理學家約翰內斯·狄德瑞克·范德華(Johannes Diderik van der Waals)發現，它們是液體，固體和氣體中分子相互吸引的部分原因。

然后，一個重大的突破出現了。Carlson回憶起俄羅斯物理學家Evgeny Lifshitz開發的一個有50年歷史的方程 ， 那是他在查閱材料科學文獻時發現的。

“ Lifshitz的理論根據電子振動描述了范德華力的大小，其中，不同材料中的電子以不同的頻率和振幅振動，例如漂浮在冷卻劑水中的物質和燃料棒材料，” Short說道。“他的數學方法告訴我們，固體材料如果具有與水相同的電子振動，就沒有任何東西會粘附在它們上面。”

肖特說，如果在燃料棒的外層涂上一種與冷卻水的電子頻率譜相匹配的材料，那么這些顆粒將直接滑過燃料棒。肖特說：“這個答案在文獻中坐了50年，但沒有人以這種方式認識到它”

一種設計原則

研究人員開始著手證明范德華斯力是CRUD粘性背后最重要的單一表面力量。為了尋找一種簡單而統一的方法計算材料的分子頻率，他們從折射率考慮，這是一種衡量光穿過材料時彎曲量的指標。他們將校準的LED燈照在材料樣品上，繪制出核燃料和包層材料的光學特性圖。這使他們能夠根據粘性等級對材料進行評分。根據Lifshitz理論，共享相同光學特性的材料會相互打滑，而在折射光度上相距較遠的材料會粘在一起。

在研究結束時，Short的團隊不僅提出了防污材料設計原則，而且提出了一組候選涂層，這些涂層的光學性能使其非常適合(光滑)冷卻液。但是在實際實驗中，他們的某些涂層并沒有發揮作用。肖特說：“僅靠正確的折射率還不夠。” “材料必須堅硬，抗輻射，抗腐蝕，并能夠大規模制造。”

通過在麻省理工學院的核反應堆實驗室的苛刻環境中試驗，已經產生了一些滿足大多數嚴格標準的涂層材料。最后一步是確定這些材料是否可以阻止CRUD在實際反應堆中生長。這項測試預計將于明年開始在Exelon商業核電站進行。

肖特說：“涂有防污材料的燃料棒將進入正在運行的商業反應堆進行測試。在不同的時間間隔，會定期檢查，如果一切正常，測試燃料棒是干凈的，而隔壁的對照組是被腐蝕了，就證明方法的可行性。該研究有助于從根本上解決核反應堆燃料組件棒腐蝕問題。