Branduolinis kuras keičia formą: mokslininkai įkvėpimo rado kauluose ir drugelių sparnuose

„Idaho National“ laboratorijos tyrėjai atkreipė dėmesį, kad tradicinė cilindrinė kuro forma gali riboti visos sistemos efektyvumą. Jie ieškojo būdo, kaip padidinti šilumos perdavimą nepakeičiant pačios branduolinės reakcijos. Vietoje įprastų patobulinimų buvo pasirinktas drąsesnis kelias.

Įkvėpimo jie rado gamtoje, kur struktūros dažnai būna lengvos, bet tvirtos ir gerai išsklaido šilumą. Kaulų vidus, drugelių sparnai ar jūrų ežių kiautai turi panašią matematinę logiką. Šią logiką aprašo trigubai periodiniai minimalūs paviršiai „TPMS“.

Gamtos įkvėpta kuro geometrija

Mokslininkai pasiūlė naują koncepciją „INFLUX“, kurios esmė ne kuro sudėties keitimas, o visiškai kitoks jo kontaktas su aušinimo terpe. Vietoje lygaus strypo kuriamas ažūrinis, švelniai išlenktas kanalų tinklas. Per jį judantis aušintuvas patiria daugiau naudingų sūkurių.

Tokia forma ženkliai padidina šilumos mainų paviršių. Dėl to ta pati skaldžioji medžiaga gali atiduoti daugiau energijos į aušinimo kontūrą. Kitaip tariant, galia kyla vien dėl geresnio šilumos paėmimo.

Kaip tai tapo įmanoma?

Anksčiau tokios geometrijos buvo per sudėtingos praktiškai pagaminti iš branduolinei energetikai tinkamų medžiagų. Dabar situaciją pakeitė trimatis spausdinimas ir karštasis izostatinis presavimas. Šios technologijos leidžia kurti tikslias ir patvarias grotelines struktūras.

Eksperimentai patvirtino, kad „INFLUX“ šilumą perduoda maždaug tris kartus efektyviau nei įprasti kuro strypai. Bandymuose naudotos skirtingos aušinimo terpės, tiek dujos, tiek skysčiai. Rezultatai išliko panašūs visais atvejais.

Tyrėjas Nicolas Woolstenhulme iš „Idaho National Laboratory“ pabrėžė, kad toks šuolis tiesiogiai didina kuro elemento galios tankį. Tai reiškia geresnę reaktoriaus ekonomiką ir daugiau energijos iš tos pačios tūrio dalies. Kartu mažėja rizika pasiekti pavojingas temperatūras.

Grotelinė struktūra leidžia kurą formuoti plonesnį ir dirbantį žemesnėse temperatūrose. Tai sumažina terminę įtampą ir galimą medžiagų nuovargį. Be to, tokia forma riboja neutronų pabėgimą iš šerdies, todėl kuras panaudojamas pilniau.

Kelias į realius reaktorius

Nuo prototipo iki komercinio taikymo dar laukia ilgas procesas. Didžiausias iššūkis yra masinė gamyba ir patikimumo testai realiomis sąlygomis. Labiausiai ši technologija tikėtina pravers mikroreaktoriams ir dujomis aušinamiems reaktoriams.

Jei technologines ir ekonomines kliūtis pavyks įveikti, gamtos išmokyta kuro forma gali suteikti branduolinei energetikai naują impulsą. Tai būtų būdas didinti galią ir kartu stiprinti saugumą. O svarbiausia, tam nereikėtų keisti pačios branduolinės fizikos, užtektų pakeisti formą.