对于核能业者来说，最伤脑筋的莫过于如何提升核电厂安全性，各国皆绞尽脑汁想要强化核安全与应急设备，而近期夏威夷大学马诺阿分校对此提出解决方案，透过奈米级双层芯片进行热表面处理，提升临界热通量 10%，有效提高核设备的耐热程度。
核电厂运作模式主要利用核分裂所产生的热，让水直接沸腾变成高压蒸汽，进而驱动涡轮机，并透过发电机转换为电能。只不过核能在加热过程中会产生放射性物质，若处理不当，辐射会严重影响环境生态及人体健康，因此近年来众多厂商都希望可在提升发电量之余，也让民众能安心使用核电，致力于减少核灾事故与反应炉过热发生概率。
在核电厂与金属铸造等极热设备中，核沸腾（boiling）被用来当作热传机制，虽然名字看起来跟加热比较有关，但实际上算是冷却机制的一部分。这是因为在物质三态中，若物质在温度没有变化的情况下发生物态转换，其会吸收或释放热量（也被称为潜热，latent heat），而反应炉可透过吸收热将水直接蒸发成水蒸气，进而散去表面的热量。
但该做法效果有限，因此增加设备的耐热度是相当重要的。其中临界热通量为耐热度重要指标，当热通量达到一定数值时，加热表面会开始产生气泡，而随着温度持续升高，热通量增加到某一程度，气泡会几乎占满加热表面，最后便达到临界热通量，该数值可说是点燃材料所需之最小热通量，数值越高物质就越不容易点燃。
夏威夷大学马诺阿分校工程学院机械工程助理教授 Sangwoo Shin 指出，如果表面温度非常高，附近的水很快就会变成水蒸气，不会留下任何液体来冷却表面。
若是无法有效冷却表面，可能会让金属表面熔化，就好比 2011 年日本核灾，当时地震引发的海啸让核反应炉的电力与冷却系统失效，造成反应炉无法及时冷却而熔化，最后面临炉心熔毁的命运。
目前提升临界热通量的最有效的方式是采用奈米结构，尤其是利用奈米线让表面更加粗糙，提升表面粗糙度就可让沸腾起泡的面积增加，进而提高临界热通量。研究也发现，核反应炉的沸腾传热（boiling heat）特性有利于团队的新概念──在热表面上覆涂奈米双层芯片，该芯片是一种长条型金属，受热时会弯曲膨胀进而提升表面积，而最后实验结果也符合团队期待，比起以往的设备，新型技术让临界热通量提高 10%。
Shin 表示，未来团队可以借由选择最佳材料与形状的奈米双层芯片，进一步提高临界热通量，而这也将有助于为极热系统开发出新型节能技术。目前该研究已发表在《Nano Letters》。
- New concept to cool boiling surface may help prevent nuclear power plant accidents
（本文由 EnergyTrend 授权转载；首图来源：夏威夷大学马诺阿分校）
