Los investigadores del MIT han encontrado una forma de analizar cómo predecir y prevenir una crisis de ebullición, que es el punto en el que se forman tantas burbujas en una superficie caliente que se unen en una lámina continua de vapor que bloquea cualquier transferencia de calor adicional desde la superficie hacia el agua
El simple acto de hervir agua es uno de los inventos más antiguos de la humanidad, y sigue siendo fundamental para muchas de las tecnologías actuales, desde los fabricantes de café hasta las centrales nucleares. Sin embargo, este proceso aparentemente simple tiene complejidades que han desafiado durante mucho tiempo la comprensión total.
Ahora, los investigadores del MIT han encontrado una forma de analizar uno de los problemas más espinosos que enfrentan los intercambiadores de calor y otras tecnologías en las que el agua hirviendo desempeña un papel central: cómo predecir y prevenir un evento peligroso y potencialmente catastrófico llamado crisis hirviente. Este es el punto en el que se forman tantas burbujas en una superficie caliente que se unen en una lámina continua de vapor que bloquea cualquier transferencia de calor adicional de la superficie al agua.
Tales eventos pueden causar debilitamiento o derretimiento, por lo que las plantas nucleares están diseñadas para operar a niveles muy por debajo de aquellos que podrían desencadenar una crisis de ebullición. Este nuevo entendimiento podría permitir que tales plantas operen de manera segura a niveles de producción más altos al reducir los márgenes operativos necesarios.
Los nuevos resultados se presentan hoy en la revista Physical Review Letters en un artículo del profesor asistente de ingeniería nuclear Matteo Bucci y los estudiantes de posgrado Limiao Zhang y Jee Hyun Seong.
“Es un fenómeno muy complejo“, dice Bucci, y aunque ha sido “estudiado durante más de un siglo, sigue siendo muy controvertido“. Incluso en el siglo XXI, dice, “hablamos de una revolución energética, una revolución informática, transistores a nanoescala, todo tipo de grandes cosas. Sin embargo, aún en este siglo, y quizás incluso en el próximo siglo, todo está limitado por transferencia de calor.”
A medida que los chips de computadora se hacen más pequeños y potentes, por ejemplo, algunos procesadores de alto rendimiento pueden requerir refrigeración líquida para disipar el calor que puede ser demasiado intenso para los ventiladores normales. (Algunas supercomputadoras, e incluso algunas PC de juegos de gama alta, ya utilizan agua bombeada para enfriar sus chips). Del mismo modo, las centrales eléctricas que producen la mayor parte de la electricidad del mundo, ya sean combustibles fósiles, solares o nucleares, producen principalmente energía al generar vapor para hacer girar las turbinas.
En una planta nuclear, el agua es calentada por las barras de combustible, que se calientan a través de reacciones nucleares. La propagación del calor a través de las superficies metálicas al agua es responsable de transferir la energía del combustible a la turbina generadora, pero también es clave para evitar que el combustible se sobrecaliente y, potencialmente, provocar una fusión. En el caso de una crisis de ebullición, la formación de una capa de vapor que separa el líquido del metal puede evitar que el calor se transfiera, y puede llevar a un sobrecalentamiento rápido.
Debido a ese riesgo, las regulaciones requieren que las plantas nucleares operen a flujos de calor que no sean más del 75 por ciento del nivel conocido como flujo de calor crítico (CHF), que es el nivel cuando se podría desencadenar una crisis de ebullición que podría dañar los componentes críticos. Pero como los fundamentos teóricos de la ICC son poco conocidos, esos niveles se estiman de manera muy conservadora. Es posible que esas plantas puedan funcionar a niveles de calor más altos, produciendo así más energía del mismo combustible nuclear, si se comprende el fenómeno con mayor certeza, dice Bucci.
Si esta investigación permite cambios que podrían permitir la operación segura de las plantas nucleares con flujos de calor más altos, es decir, la velocidad a la que disipan el calor, de lo que actualmente se permite, el impacto podría ser significativo. “Si puede demostrar que al manipular la superficie, puede aumentar el flujo de calor crítico entre un 10 y un 20 por ciento, luego aumenta la potencia producida en la misma cantidad, a escala global, haciendo un mejor uso del combustible y los recursos que Ya están ahí “, dice Bucci.
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