核电和纳米材料：小颗粒的潜力很大
核电站是大型、复杂且昂贵的设施。它们提供了美国约19%的电力供应，[参考]年度能源审查，2011年。[/ref]并且在此过程中消耗了大量的水。然而，一类非常小的颗粒可能正在准备帮助发电厂提高效率，降低运行成本。本文将简要介绍纳米材料，并讨论其中一些粒子如何使核电站更有效率。
合成、设计、测试和应用新型纳米材料以解决能源和国防难题的竞赛正在全面展开。过去的二十五年迎来了纳米材料和纳米颗粒的时代——至少一维在1到100纳米之间的物体[ref]G.L.Hornyak，纳米技术基础, 2009年。[/ref] -研究人员现在正将这些材料应用于神经科学和环境修复等截然不同的领域。从尺度上讲，大多数病毒的大小都是几百纳米，大多数细菌的大小都是几千纳米，一句话结尾的句号大约是100万纳米。这种新型材料激发了科学家和工程师的想象力，他们设想纳米材料能够解决能源、医疗保健和电子领域的难题。
纳米材料并不新鲜，并且确实在地球上自然发生。这包括病毒，莲花叶的涂层，壁虎脚的底部，以及一些细粉粘土。这些物体代表具有重要的天然材料，通常具有高度功能，纳米级功能。一些研究人员甚至发现了空间中纳米级材料的迹象。[Ref] D.A。Garcia-Hernandez，S. iglesias-groth，J.A.Acosta-Purido，A. Manchado，P. Garcia-Lario，L. Stanghellini，E.Villaver，R.A.Shaw和F. Cataldo，Astrophys。J.737，L30，2011年。[/ ref]纳米材料的最古老的文档应用之一是返回Lycurgus杯，a 4th这种玻璃是由含有金银颗粒的玻璃制成的。其结果是玻璃从外部照射时呈现绿色，而从内部照射时呈现红色。Freestone, N. Meeks, M. Sax, C. Higgitt，黄金简报40,270-277,2007。[/ ref]根据各种照明条件，玻璃滤波各种波长的玻璃滤波不同。当然，罗马人不知道他们在制造这块玻璃的过程中使用纳米颗粒。
但是，是什么让纳米颗粒变得有趣或独特呢？这个问题的答案取决于具体的材料和应用，但有几个主题仍然存在。由于它们的体积小，控制粒子行为和与环境相互作用的物理原理会发生变化。其中一些变化是由于基本特性（如体积和表面积）随着对象变小而发生变化。当球体收缩时，表面积与体积的比率将增大。这对粒子如何与光、热和其他粒子相互作用有着深远的影响。有远见的研究人员正在研究这些有趣的特性如何使核电站更有效率。
我们讨论的一个重要意义是热能流动。考虑将您身体的热能从双手转移到冰块的过程。显然，你（希望！）比冰块更温暖。如果将冰块放在寒冷的盘子上并用一根手指触摸冰块，那么立方体将融化，但可能相当慢。将整个手放在冰块的上半立方体上的上半部分增加熔化率，并将冰块放在手中并关闭拳头进一步提高了熔化率。这是通过传导的热能传输的一个例子。从一个物体到另一个物体的导电传热取决于热转印发生的区域。较大的接触表面区域导致更快的传导。但这与纳米颗粒有关吗？作为颗粒变得非常小，粒子表面积与其体积的比率非常迅速增加。 Since thermal conduction through volume is a function of surface area, particles with large ratios of surface area to volume are able to change temperature very quickly. If you place a large quantity of small cold particles in a warm body of water, the particles will heat quickly. If you take the same volume of particles, but instead compress it into one large particle, then that large particle will warm slowly. As this surface area to volume ratio increases with decreasing size, a general trend is for smaller particles to transfer heat more effectively than larger particles.
那么这与核电站有什么关系呢？核电站是水密集型运行，依靠传导传热将核能转换为电网可用电能。最常见的西方反应堆是压水式反应堆（PWR），在压水式反应堆中，水通过泵送穿过反应堆堆芯进行加热，然后将热水泵送至蒸汽发生器。这些水流经称为一次系统的管道，并通过称为稳压器的装置施加非常高的压力而保持液态。在蒸汽发生器中，一次系统中的水将其大部分热量传递给二次系统中的水。高强度管道是一种非常有效的导热体，可防止两个系统中的水直接接触。二次系统的水在从一次系统吸收热量时变成蒸汽。然后蒸汽通过管道被引导来驱动涡轮机，涡轮机转动发电机，从而完成将核能转换为电网可用电的循环。蒸汽通过涡轮机后，被收集并冷凝，以便循环使用。这些再生水可以通过蒸汽发生器送回。然而，该蒸汽的大量能量通过用于冷凝蒸汽的第三个冷却水系统损失到大气中。在此过程中，大量的水（以水蒸气的形式）被释放到环境中。想想卡通电视节目中看到的标志性冷却塔顶部的水蒸气羽流辛普森一家. （并非所有核电厂都使用这种类型的冷却塔，但所有核电厂都必须通过某种冷却方式向环境排放热量。）
一种新的纳米材料，称为核 - 壳相变纳米粒子可以有助于降低水分损失。首先，让我们解析纳米粒子的名称。核心壳命名法指的是颗粒具有由一种材料制成的中心，以及由另一种材料制成的外壳。名称的相变分量是指粒子中心在某些条件下从液体变为固体的事实。这些颗粒可以混合到用于输送在反应器内产生的热能的水中。一旦混合到反应器水中，颗粒芯熔化，因为水从反应器中拾取了热能。颗粒芯中的熔化材料由壳体含量，其在反应器温度下保持固体。因此，随着水留下反应器，它携带含有在固体核心的液体热能束的微小颗粒。概念是，随着这些颗粒向冷却塔行进，它们固化并散发它们的热量进入周围水中，从而降低转换由反应器产生的热能所需的水量以用于转动涡轮机的蒸汽。另外，由于这些颗粒不蒸发，因此它们更容易保留用于回收。 The Electric Power Research Institute is currently working with scientists at Argonne National Laboratory to commercialize these particles and has suggested that this technology could decrease power plant water requirements by as much as 20 percent.[ref]“Multifunctional Particles for Reducing Cooling Tower Water Consumption,” Electric Power Research Institute, 2012.[/ref]
另一种基于纳米颗粒的提高反应器效率的方法寻求解决一个不同的问题。压水堆将水直接与核反应堆的燃料棒接触。然而，在燃料棒表面形成的气泡会使燃料棒与水绝缘，从而显著降低效率。当这种情况发生时，传热效率就会受到影响。麻省理工学院(MIT)的一个实验室已经实现了氧化铝纳米颗粒，可以覆盖在燃料棒上，防止加热元件上的气泡积聚。氧化铝是铝和氧的化合物，具有稳定性和较高的熔化温度。该小组在麻省理工学院的反应堆中测试了这些粒子，发现氧化铝纳米颗粒覆盖了燃料棒。结果是反应堆效能的提高。工程师解释说，氧化铝纳米颗粒可以快速去除燃料棒表面形成的气泡，从而最大限度地减少气泡的绝缘层，最大限度地提高传热效率Kim, I.C. Bang, J. Buongiorno, L.W. Hu, Int。 J.热质转换。，为了验证这一点，研究人员加热了直径只有一毫米的相同细钢丝。一根金属丝浸没在水中，另一根金属丝浸没在含有氧化铝颗粒的纳米流体中。电线被加热到沸腾周围液体的程度。煮沸后，使用功能强大的电子显微镜检查电线。实验人员观察到，在纳米流体中加热的金属丝表面确实覆盖着纳米颗粒，而另一根金属丝则保持其原始的光滑表面。
最重要的是，纳米流体具有快速传输大量热能的潜在安全应用。一项建议要求在应急堆芯冷却系统(ECCS)的备用冷却剂中使用纳米流体。ECCS是独立的备用系统，设计用于在发生事故或故障时安全关闭反应堆。ECCS的一个组件是一组泵和备用冷却剂，直接喷到反应堆棒上。这种系统对于防止冷却剂损失事故(LOCA)失控至关重要。因为ECCS有备用冷却剂，使备用冷却剂更有效地从反应堆中移除热量的技术可以提高反应堆的安全性。由于纳米流体可以将水的传热效率提高50%或更多，一些研究人员建议，纳米流体在紧急情况下也可能有用。泰勒，S. Coulomb, T. Otanicar, P. Phelan, A. Gunawan, W. Lv, G. Rosengarten, R. Prasher，和H. Tyagi, J.。苹果。phys. 113011301，2013。[/ref]
核电站和燃煤电厂的蒸汽发电机约占美国淡水总消耗量的3%。一般来说，核电站每兆瓦时(MWh)消耗大约400加仑的水。它们的煤炭和天然气分别消耗大约300和100加仑每兆瓦时。[参考]《水的使用和核电站》，核能研究所，2013。[/ref]因此，通过提高用水效率，核电站将获得相当大的收益。
然而，在纳米颗粒能够安全有效地用于发电厂运行之前，还有许多障碍需要解决。将颗粒生产规模扩大到发电厂实施所需的大量颗粒是昂贵且劳动密集的。大规模生产这些微小粒子可能需要新的合成基础设施。此外，在一个正常运行的工厂证明显著的成本节约是有效的之前，这项技术不会被广泛采用。因此，必须以合理的成本提供颗粒，供发电厂运营商采用。可以使用商用氧化铝纳米颗粒进行粗略的成本估算，因为这些颗粒已经在传热文献中进行了广泛的测试。美国一座典型的核电站提供的电力足以为74万户家庭供电。要做到这一点，工厂每天需要每户13到23加仑的水。8.因此，该工厂的水用可能在每天10至1700万加仑。目前氧化铝纳米颗粒的供应商销售1公斤纳米粉末，约200美元。预期认为，规模经济将使价格降至100美元/公斤，并且颗粒可以很容易地恢复和再循环，装载核电站，核电站含有0.1％的氧化铝纳米粒子将花费约14.7美元至每权力2500万美元植物。这是一个实质性的初始投资。自然而然，如果纳米粒子造成10美元/千克，则可以实现每核电站1.5〜250万美元的粒子占用成本。如果可以实现100％的颗粒恢复，则该初始成本将随时间恢复，预期的2％至4％的植物效率增加。
除了成本效益分析之外，必须进行广泛的测试，以确保这些颗粒的长期应用不会威胁到植物的操作安全性。为实现这一点，更小的尺度反应器（如在研究设施和大学的那样）可以在多年内测试这些粒子，以跟踪长期使用的影响。潜在的缺陷包括增加腐蚀，系统堵塞和纳米粒子泄漏到废水中。需要腐蚀工程师来验证纳米颗粒的程度有助于它们使用的反应器的总体老化。将需要纳米粒子设计师和流体动力学家，以确保系统堵塞是可管理的。此外，将需要过滤专家和环境保护署以确定最大限度地减少退出设施的纳米材料的数量，以及理解和量化该发出材料的环境影响。这些潜在的障碍都不是微不足道的。然而，虽然挑战似乎很大，但鼓励看到纳米技术在发电厂的潜在应用。