核反应堆冷凝器生物污垢协同控制策略：中试冷却回路验证与热传递效率提升研究

为解决核电站钛冷凝管生物污垢导致的换热效率下降、停机损失及微生物耐药性问题，研究人员创新性结合交替电化学电位（TiAP ）、冷却水超声处理（TiUS ）和无电镀纳米铜涂层（TiNC ）三种非传统方法，在中试冷却回路中实现细菌存活量降低5个数量级（TVC 6.8×109 →2.7×103 CFU/cm2 ），污垢系数显著改善（0.6229→0.4766 m2 K/W），为核工业提供环保高效的生物污垢控制方案。

　　

核电站冷凝器系统的生物污垢问题一直是困扰行业的顽疾。当微生物在钛合金管道表面形成复杂的生物膜时，不仅会大幅降低热传递效率，还会引发微生物腐蚀（MIC），导致设备损坏和巨额经济损失。更棘手的是，传统氯处理等化学方法不仅会加速材料腐蚀，还促使微生物产生耐药性，形成恶性循环。面对这一挑战，中国科学院的研究团队独辟蹊径，开发出一套融合物理、化学和材料科学的协同控制策略，并在中试规模冷却水回路中验证了其卓越效果。

研究团队采用三种关键技术：交替电化学电位处理（通过Ag/AgCl电极施加）、冷却水超声处理（40kHz超声波）和无电镀纳米铜涂层技术（在钛管表面沉积）。实验系统包含65升热水箱、钛管换热器组件和诱导通风冷却塔，通过监测总活菌计数（TVC）、ATP活性、激光共聚焦显微镜（CLSM）观察和热阻计算等指标评估效果。

结果与讨论部分显示，单一处理方法中纳米铜涂层（Ti_NC
）效果最佳，使TVC降低3个数量级；而三种方法联用产生惊人协同效应，使钛管表面细菌存活量直降5个数量级（从6.8×10⁹
降至2.7×10³
CFU/cm²
）。CLSM显示生物膜厚度从53.8μm锐减至9.7μm，热阻系数改善23.5%。研究还发现交替电位能有效抑制硫酸盐还原菌（SRB）活性，而超声处理可破坏微生物的胞外聚合物（EPS）基质。

结论部分强调，这种多模式协同策略突破了传统生物污垢控制技术的局限性：纳米铜涂层提供持续抗菌作用，超声处理物理清除生物膜，电化学处理改变微生物表面电荷特性。该方案不仅适用于核电站，还可推广至石油化工、海水淡化等领域。尤为重要的是，该方法大幅减少有毒化学药剂使用，对环境更友好。研究团队特别指出，下一步将优化参数以实现工程化应用，并探索该技术对其他材料（如不锈钢、铜镍合金）的适用性。这项发表于《Journal of Cleaner Production》的研究，为工业生物污垢控制提供了全新的技术范式。