Sự sôi "nhiệt tình"
Bài viết này sẽ mở đầu cho một chuyên mục hoàn toàn mới "IFANE - Interesting Facts About Nuclear Energy", gồm những bài viết ngắn, thú vị từ nhiều ngành khoa học liên quan đến khai thác năng lượng hạt nhân. Đối với lò phản ứng nước áp lực PWR nước trong vòng tuần hoàn 1 luôn được giữ ở áp suất rất cao, để đảm bảo rằng nước luôn ở dạng lỏng, có khả năng tải nhiệt sinh ra từ trong lò phản ứng ra bên ngoài.
Để hiểu rõ hơn mời bạn xem thí nghiệm minh họa dưới đây:
Thí nghiệm 1 (nhiệt độ bếp <220⁰C): nước nhận được nhiệt từ bếp → sôi nhiệt tình → bốc hơi nhanh chóng.
Thí nghiệm 2 (nhiệt độ bếp >220⁰C): nước không nhận được nhiệt từ bếp → nước không sôi, trượt lềnh bềnh trên bề mặt → bốc hơi rất ít.
Điều gì đã xảy ra ?
Đây được gọi là hiệu ứng Leidenfrost: hiện tượng khi nước tiếp xúc với bề mặt có nhiệt độ cao hơn rất nhiều lần so với nhiệt độ sôi của nước (xét trong cùng điều kiện), sẽ hình thành một lớp hơi cản trở sự trao đổi nhiệt giữa chúng.
Không khí (hơi nước) là lớp cách nhiệt tự nhiên, ngăn cản sự trao đổi nhiệt của bề mặt nồi với nước. Ở thí nghiệm 2, nước hiển nhiên sôi, nhưng sôi một cách siêu nhanh → hình thành một lớp đệm hơi nước ở phía dưới.
Hiệu ứng Leidenfrost còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: áp suất, độ nhám bề mặt trao đổi nhiệt, hệ số thấm ướt của chất lỏng, tốc độ dòng ... Áp suất của nước càng lớn, nhiệt độ sôi của nước càng cao (tính chất của nước), có nghĩa là nước sẽ khó bốc hơi hơn.
Cùng một cơ chế, thử tưởng tượng bề mặt thanh nhiên liệu trong lò phản ứng có nhiệt độ 1000-1200⁰C, nếu nước không được giữ ở áp suất cao → sự sôi của chất tải nhiệt trên bề mặt thanh niên liệu → hình thành lớp đệm không khí → nước không thể tải nhiệt đi → thanh nhiên liệu nóng lên do chính nhiệt lượng tích tụ của nó → nóng chảy thanh nhiên liệu...
Không chỉ lò phản ứng hạt nhân, tất cả các thiết bị trao đổi nhiệt công suất lớn đều phải tính toán đến hiệu ứng này.
Đây chỉ là một trong những nguyên nhân chính giải thích lý do vì sao lò phản ứng nước áp lực PWR phải luôn giữ nước ở áp suất cao, ngoài ra còn có những nguyên nhân khác, mời các bạn theo dõi ở các bài viết sau.
