Понимание кипения поможет атомной промышленности и космическим миссиям

Jul 21, 2023

Предыдущее изображение Следующее изображение

Для запуска расширенных миссий в космос Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) позаимствовало опыт атомной промышленности: оно пытается понять, как работает кипение.

При планировании долгосрочных миссий НАСА исследует способы упаковки наименьшего количества криогенного топлива, возможного для эффективного старта. Одним из потенциальных решений является дозаправка ракеты в космосе с использованием топливных складов, расположенных на низких околоземных орбитах. Таким образом, космический корабль сможет нести самую легкую топливную загрузку — достаточную, чтобы достичь низкой околоземной орбиты для дозаправки при необходимости и завершения миссии. Но дозаправка в космосе требует доскональных знаний о криогенном топливе.

«Нам [необходимо понять], как кипение криогенов ведет себя в условиях микрогравитации [в космосе]», — говорит Флориан Чавагнат, докторант шестого курса факультета ядерной науки и техники (NSE). В конце концов, понимание того, как криогенные вещества кипят в космосе, имеет решающее значение для стратегии НАСА по управлению топливом. Подавляющее большинство исследований кипения оценивают жидкости, которые кипят при высоких температурах, что не обязательно относится к криогенам. Под руководством Маттео Буччи и Эмилио Бальетто Шаванья работает над спонсируемым НАСА исследованием криогенов и того, как отсутствие плавучести в космосе влияет на кипение.

Детство, проведенное за мастерством

Глубокое понимание инженерных и физических явлений – это именно то, что развил Шаванья, когда он рос в Бусси-Сен-Антуан, пригороде Парижа, у родителей, которые работали в SNCF, национальной государственной железнодорожной компании. Шаванья вспоминает, как обсуждал работу поездов и двигателей со своим отцом-инженером и строил различные модели из пробкового дерева. Одним из его запоминающихся проектов стал парусник, приводимый в движение мотором от электрической зубной щетки.

Будучи подростком, Шаванья получил в подарок токарный станок по металлу. Его мастерство стало навязчивой идеей; Пневматический двигатель был любимым проектом. Вскоре небольшой сарай его родителей, предназначенный для садоводства, превратился в фабрику, смеется Шаванья.

Вечная любовь к математике и физике привела его в Национальный институт прикладных наук в Руане, Нормандия, где Шаванья изучал энергетику и движение в рамках пятилетней инженерной программы. На последнем году обучения Шаванья изучал атомную энергетику в INSTN Paris-Saclay, входящем в уважаемую французскую комиссию по альтернативной энергетике и атомной энергии (CEA).

Последний год обучения в CEA включал шестимесячную стажировку, которая традиционно определяет курс трудоустройства. Шаванья решил рискнуть и вместо этого подать заявку на стажировку в MIT NSE, зная, что его будущее будущее может быть неопределенным. «Я не сильно рисковал в своей жизни, но этот риск был большим», — говорит Шаванья. Риск оправдался: Шаванья выиграл стажировку у Чарльза Форсберга, что открыло ему путь к поступлению в докторантуру. «Я выбрал Массачусетский технологический институт, потому что это всегда была школа моей мечты», — говорит Чавагнат. Ему также понравилась идея бросить вызов самому себе и улучшить свои навыки английского языка.

Любовь к физике и теплопередаче

Шавагнат любит физику — «если я смогу изучить какую-нибудь физическую задачу, я буду счастлив», — говорит он, — что привело его к работе над теплообменом, точнее, над теплообменом при кипении. Его ранние докторские исследования были посвящены переходному кипению в ядерных реакторах, часть которых была опубликована в Международном журнале тепло- и массопереноса.

Исследования Чаванья нацелены на особый тип ядерного реактора, называемый реактором для испытания материалов (MTR). Ученые-ядерщики используют MTR, чтобы понять, как материалы, используемые в работе станции, могут вести себя при длительном использовании. Плотно упакованное ядерное топливо, работающее на большой мощности, имитирует долговременные эффекты, используя очень интенсивный поток нейтронов.

Чтобы предотвратить отказ, операторы ограничивают температуру реактора, пропуская очень холодную воду с высокой скоростью. Когда тепловая мощность реактора неконтролируемо возрастает, водопроводная вода начинает кипеть. Кипение предотвращает расплавление за счет изменения замедления нейтронов и извлечения тепла из топлива. «[К сожалению], это работает только до тех пор, пока вы не достигнете определенного теплового потока в оболочке топлива, после чего эффективность полностью падает», — говорит Чавагнат. Как только достигается критический тепловой поток, водяной пар начинает покрывать и изолировать топливные элементы, что приводит к быстрому повышению температуры оболочки и потенциальному выгоранию.