MIT博士生攻關(guān)淬火工藝，為核反應(yīng)堆降溫，打造下一代航天器

（來(lái)源：MIT News）

淬火（Quenching）是一種強(qiáng)大的傳熱機(jī)制，能在極短時(shí)間內(nèi)將熱量迅速帶走。在極端環(huán)境中，無(wú)論是核電站反應(yīng)堆，還是航天器推進(jìn)系統(tǒng)，這種過(guò)程的效率與速度都關(guān)乎安全與成敗。

正因如此，麻省理工學(xué)院（MIT）核科學(xué)與工程系五年級(jí)博士生馬爾科·格拉菲耶迪（Marco Graffiedi）正在研究這一現(xiàn)象，以助力新一代航天器與核電設(shè)施的研發(fā)。

格拉菲耶迪出生于意大利中部的一個(gè)小鎮(zhèn)，父母自小鼓勵(lì)他獨(dú)立思考與動(dòng)手實(shí)踐。在他 14 歲時(shí)，家里修繕山間的一座小木屋，父母給了他一項(xiàng)任務(wù)：要讓牲畜隨時(shí)能喝上水，但不能讓蓄水箱溢出。他獨(dú)立設(shè)計(jì)并建造了一套被動(dòng)液壓供水系統(tǒng)，不僅運(yùn)行穩(wěn)定，而且至今仍在使用——這是他“工程師之路”的起點(diǎn)。

高中時(shí)期，他在以數(shù)學(xué)家格雷戈里奧·里奇-庫(kù)爾巴斯特羅（Gregorio Ricci-Curbastro）命名的盧戈中學(xué)就讀，這位數(shù)學(xué)家正是相對(duì)論數(shù)學(xué)框架的奠基人。受此啟發(fā)，他熱衷于用實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)經(jīng)典物理現(xiàn)象，并代表學(xué)校參加了在曼谷舉行的國(guó)際物理奧林匹克競(jìng)賽（IPhO），從此對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)一發(fā)不可收拾。

盡管對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)情有獨(dú)鐘，格拉菲耶迪漸漸意識(shí)到自己更想把科學(xué)轉(zhuǎn)化為工程：用公式與實(shí)驗(yàn)，構(gòu)筑現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)。

于是，他進(jìn)入比薩大學(xué)與圣安娜高等研究院攻讀機(jī)械工程學(xué)士與碩士。“在意大利，本科只要三年，所以幾乎所有人都會(huì)繼續(xù)讀碩士。”在研究生階段，他的研究逐漸轉(zhuǎn)向能源與環(huán)境工程。

他曾嘗試通過(guò)改進(jìn)聚光太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)（CSP）的熱循環(huán)來(lái)降低發(fā)電成本，雖未完全成功，卻堅(jiān)定了他發(fā)展可再生能源的信念。

隨后，他與 GE 油氣公司（GE Oil and Gas）合作，研究離心壓縮機(jī)的斷裂力學(xué)以提升設(shè)備可靠性，并在美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)，從事超導(dǎo)涂層的熱特性表征研究。

畢業(yè)后，他加入 GE 油氣的“愛(ài)迪生項(xiàng)目”，在多個(gè)崗位輪換，從機(jī)械設(shè)計(jì)、熱工程到燃?xì)廨啓C(jī)與燃燒測(cè)試。作為測(cè)試工程師，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)搭建測(cè)試臺(tái)、設(shè)計(jì)傳感系統(tǒng)、采集數(shù)據(jù)、評(píng)估性能，從一片渦輪葉片的傳感器布置，到測(cè)試臺(tái)的安全出口位置，都要考慮得面面俱到。

然而，幾年后他開(kāi)始思考：自己想要的不只是測(cè)試結(jié)果，而是更深層的科學(xué)原理。在探索中，他重新發(fā)現(xiàn)了核能這一領(lǐng)域。“它是能源的未來(lái)，”他說(shuō)。

于是，他申請(qǐng)進(jìn)入 MIT 核科學(xué)與工程系，加入 Matteo Bucci 教授團(tuán)隊(duì)，研究沸騰與淬火傳熱。這項(xiàng)研究由NASA資助，核心目標(biāo)是：防止低溫燃料的沸騰損失。在太空中，燃料一旦沸騰，就會(huì)產(chǎn)生蒸汽，不僅造成浪費(fèi)，還可能因壓力升高而必須排放。

格拉菲耶迪的研究聚焦于淬火過(guò)程，這不僅關(guān)系到航天器在軌加注燃料，也對(duì)核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)至關(guān)重要。

當(dāng)液態(tài)低溫燃料接觸高溫表面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)萊頓弗羅斯特效應(yīng)（Leidenfrost effect）：液體首先形成一層氣膜，反而阻礙冷卻。為了加快降溫，必須打破這層絕熱膜。

格拉菲耶迪正通過(guò)微觀實(shí)驗(yàn)與理論建模，揭示氣膜坍塌與熱流變化的機(jī)制，以幫助未來(lái)的核能與航天系統(tǒng)更安全、更高效地運(yùn)行。

除了核能與航天，沸騰傳熱也能用于數(shù)據(jù)中心冷卻。隨著全球數(shù)據(jù)中心和電動(dòng)交通系統(tǒng)用電量激增，如何高效排熱成為新挑戰(zhàn)。

一種新思路是采用介電液體進(jìn)行浸沒(méi)式冷卻。這種不導(dǎo)電液體可直接包裹電子元件，通過(guò)沸騰帶走熱量。但要讓冷卻高效運(yùn)行，必須突破氣膜的限制，并提高液體的臨界熱流密度（CHF）。

由于介電液體的 CHF 通常低于水，格拉菲耶迪正在研究如何利用高電場(chǎng)增強(qiáng)沸騰換熱，甚至在微重力環(huán)境下為電子設(shè)備冷卻。相關(guān)成果已發(fā)表于 Applied Thermal Engineering 期刊。

除了科研，格拉菲耶迪也是一位熱情的教師。他先后擔(dān)任 MIT 核科學(xué)與工程系四門課程的助教，多次獲評(píng)優(yōu)秀教學(xué)獎(jiǎng)，并獲得 Manson Benedict 獎(jiǎng)及服務(wù)獎(jiǎng)。

在課余，他活躍于波士頓的意大利人社區(qū)，是 MIT 意大利學(xué)生社團(tuán)“MITaly”的成員。他熱愛(ài)拉丁舞，每周都會(huì)抽出時(shí)間去舞會(huì)放松。更有趣的是，他仍保持著童年學(xué)到的家傳技藝：做出完美的披薩與意面，那是他 11 歲時(shí)從父母那學(xué)來(lái)的手藝。

https://news.mit.edu/2025/using-classic-physical-phenomena-solve-new-problems-marco-graffiedi-1031