Thép siêu bền đột phá của Trung Quốc: Vật liệu tiếp sức cho thế hệ lò phản ứng nhiệt hạch tiếp theo

Thép siêu bền của Trung Quốc: Bước tiến cho nhiệt hạch hạt nhân

Trong hành trình khai thác sức mạnh của các vì sao, nhiệt hạch hạt nhân được xem là chén thánh của nguồn năng lượng sạch, vô tận. Tuy nhiên, bên cạnh thách thức lớn về vật lý khi hợp nhất các hạt nhân nguyên tử, từ lâu còn có một trở ngại không kém phần khắc nghiệt: tìm ra vật liệu đủ bền để chịu được môi trường cực đoan bên trong lò phản ứng nhiệt hạch. Năm 2023, các nhà khoa học Trung Quốc công bố đột phá với việc phát triển và đưa vào sử dụng CHSN01 — thép cường độ cao, nhiệt độ thấp số 1 của Trung Quốc — một hợp kim được thiết kế chuyên biệt, hiện là thành phần cốt lõi của lò phản ứng phát điện nhiệt hạch đầu tiên trên thế giới. Thành tựu này đánh dấu bước ngoặt trong khoa học vật liệu và có thể thúc đẩy cuộc đua toàn cầu hướng tới năng lượng nhiệt hạch khả thi.

Vì sao lò phản ứng nhiệt hạch cần thép siêu bền?

Lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động trong những điều kiện đẩy kỹ thuật hiện đại đến giới hạn. Ở trung tâm là các nam châm siêu dẫn mạnh, tạo ra từ trường lên tới 20 tesla — gần 400.000 lần từ trường Trái Đất. Những nam châm này phải hoạt động ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối (thấp tới -269°C), đồng thời giam giữ plasma nóng hơn lõi Mặt Trời. Vật liệu kết cấu bao quanh các nam châm phải chịu tổ hợp đặc biệt gồm giá lạnh dữ dội, ứng suất từ trường cực lớn và tải trọng cơ học lặp đi lặp lại.

Vật liệu thông thường, kể cả những loại được thiết kế cho môi trường khắc nghiệt, thường trở nên giòn hoặc mất độ bền ở nhiệt độ thấp như vậy. Trong nhiều thập kỷ, thép không gỉ 316LN là tiêu chuẩn cho các dự án nhiệt hạch như Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER) ở Pháp. Đây là vật liệu được chế tạo để có độ bền và độ dẻo cao ở nhiệt độ đông lạnh. Nhưng khi tham vọng về nhiệt hạch tăng lên, yêu cầu đối với vật liệu cũng cao hơn. Các lò phản ứng tương lai sẽ cần từ trường mạnh hơn nữa và vật liệu bền chắc hơn để bảo đảm cả an toàn lẫn hiệu suất.

Hành trình kéo dài một thập kỷ để tạo ra CHSN01

Câu chuyện về CHSN01 là minh chứng cho sự kiên trì và đổi mới khoa học. Hơn một thập kỷ trước, các nhà nghiên cứu Trung Quốc bắt đầu tìm hướng giải quyết vì nhận ra vật liệu hiện có không đáp ứng được yêu cầu của thế hệ lò phản ứng nhiệt hạch tiếp theo. Năm 2011, một nhóm thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phát triển giải pháp vật liệu khả thi đầu tiên cho nam châm lò phản ứng nhiệt hạch, nhưng hiệu năng vẫn chưa đạt mức cần thiết cho các lò phản ứng tương lai.

Li Laifeng, nhà nghiên cứu hàng đầu tại Viện Kỹ thuật Vật lý và Hóa học, là một trong những người nhận thấy hạn chế của vật liệu hiện hành. Ông lưu ý rằng nam châm ITER được thiết kế cho từ trường 11,8 tesla, trong khi các lò phản ứng tương lai cần chịu được từ trường mạnh hơn nhiều. Hơn nữa, bản thân ITER là cơ sở nghiên cứu, không được thiết kế để phát điện, còn tham vọng của Trung Quốc bao gồm xây dựng một nhà máy nhiệt hạch hoạt động thực tế.

Đến năm 2017, các nhà khoa học Trung Quốc đã đạt tiến triển khi điều chỉnh thành phần thép — bổ sung vanadi và thay đổi hàm lượng carbon, nitơ — để tăng độ bền và độ dai. Tuy nhiên, vật liệu này vẫn chưa đáp ứng những tiêu chuẩn nghiêm ngặt dành cho ứng dụng nhiệt hạch. Nhiều chuyên gia quốc tế tỏ ra hoài nghi, cho rằng cải thiện được thép 316LN gần như là điều không thể. Như một nhà khoa học nước ngoài nhận định,

Trong những điều kiện này, hoàn toàn không thể chế tạo loại vật liệu tốt hơn 316LN.

Bước đột phá đến vào năm 2020, khi nhà vật lý danh tiếng Zhao Zhongxian, chuyên gia hàng đầu về vật lý nhiệt độ thấp và chủ nhân giải thưởng khoa học cao quý nhất của Trung Quốc, tham gia dự án. Chuyên môn và vai trò lãnh đạo của Zhao đã giúp tạo đà cho dự án vào thời điểm then chốt, dẫn dắt nhóm vượt qua những trở ngại cuối cùng.

Thiết lập tiêu chuẩn mới

Năm 2021, Trung Quốc đặt ra những tiêu chuẩn mới đầy khắt khe cho vật liệu lò phản ứng nhiệt hạch: giới hạn chảy 1.500 MPa (megapascal) và độ giãn dài trên 25% ở nhiệt độ đông lạnh. Các yêu cầu này vượt xa khả năng của những vật liệu hiện có. Chuyên gia nhiệt hạch Li Jiangang nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát triển thép tiên tiến, coi đây là yếu tố thiết yếu đối với tương lai của năng lượng nhiệt hạch.

Cũng trong năm đó, Li Laifeng dẫn dắt việc thành lập liên minh nghiên cứu cấp quốc gia, quy tụ các viện nghiên cứu, doanh nghiệp và chuyên gia hàn để phát triển một loại thép đông lạnh mới trong nước. Kết quả là CHSN01, vật liệu sớm chứng minh được giá trị trong những môi trường khắc nghiệt nhất.

Điều gì làm nên sự khác biệt của CHSN01?

CHSN01 không đơn thuần là một loại thép không gỉ khác. Đây là hợp kim cường độ cao, dùng ở nhiệt độ thấp, được thiết kế chuyên biệt để chịu những ứng suất đặc thù trong lò phản ứng nhiệt hạch. Được phát triển trên nền thép không gỉ N50 đã cải tiến, CHSN01 có hàm lượng carbon cực thấp, hàm lượng niken cao hơn và hàm lượng oxy thấp. Những điều chỉnh này mang lại cho vật liệu các đặc tính cơ học vượt trội ở nhiệt độ đông lạnh.

Các thử nghiệm cơ học cho thấy CHSN01 có thể đạt giới hạn chảy trên 1.500 MPa ở 4,2 K (chỉ cao hơn độ không tuyệt đối một chút), đồng thời duy trì độ dẻo cao và khả năng chống mỏi. Điều đó có nghĩa là thép có thể chịu được các chu kỳ ứng suất lặp lại — lên tới 60.000 xung plasma — mà không nứt hoặc suy giảm tính toàn vẹn. Kính hiển vi điện tử quét và phép đo phổ tán sắc năng lượng xác nhận các nguyên tố được phân bố đồng nhất, bảo đảm vật liệu hoạt động ổn định trên toàn bộ cấu trúc.

Khả năng chống mỏi và độ an toàn

Một trong những thách thức quan trọng nhất đối với vật liệu dùng trong lò phản ứng nhiệt hạch là khả năng chống mỏi. Nam châm solenoid trung tâm (CS), bộ phận làm nóng plasma, hoạt động với dòng điện xoay chiều và chịu các chu kỳ ứng suất lặp lại. Bất kỳ khuyết tật nào trong thép cũng có thể lớn dần theo thời gian, tiềm ẩn nguy cơ dẫn đến sự cố nghiêm trọng.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu sử dụng mô hình hóa tiên tiến và thử nghiệm thực nghiệm nhằm xác định kích thước khuyết tật tối đa cho phép trong vỏ bọc CHSN01. Kết quả cho thấy ngay cả khi có những khuyết tật ban đầu nhỏ, vật liệu vẫn có thể chịu được các yêu cầu vận hành của lò phản ứng nhiệt hạch một cách an toàn. Độ tin cậy này có ý nghĩa thiết yếu đối với sự an toàn và hiệu quả lâu dài của các nhà máy nhiệt hạch.

Từ phòng thí nghiệm đến lò phản ứng: CHSN01 đi vào hoạt động

Tháng 8/2023, CHSN01 được xác nhận đáp ứng mọi tiêu chuẩn then chốt, trong đó có khả năng chịu từ trường 20 tesla và ứng suất 1.300 MPa, đồng thời có khả năng chống mỏi cao. Vật liệu này ngay lập tức được đưa vào sử dụng trong lò phản ứng nhiệt hạch BEST (Tokamak siêu dẫn thử nghiệm đột phá) của Trung Quốc. Công trình bắt đầu lắp ráp vào tháng 5/2023 và dự kiến hoàn thành vào năm 2027.

Trong hơn 6.000 tấn linh kiện được lắp ráp cho lò phản ứng, 500 tấn vỏ bọc dây dẫn được chế tạo từ thép CHSN01 sản xuất trong nước. Những vỏ bọc này bao quanh các dây cáp siêu dẫn tạo ra từ trường mạnh của lò phản ứng, bảo đảm tính toàn vẹn kết cấu và an toàn vận hành.

Hợp tác và cạnh tranh quốc tế

Thành tựu CHSN01 của Trung Quốc là một phần trong nỗ lực quốc tế rộng lớn hơn nhằm phát triển năng lượng nhiệt hạch. Các dự án như ITER ở Pháp và SPARC ở Mỹ cũng đang thúc đẩy giới hạn của khoa học vật liệu và kỹ thuật. Tuy nhiên, quyết định tự phát triển thép siêu bền trong nước của Trung Quốc phản ánh bước đi chiến lược nhằm giảm phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài và định vị mình là nước dẫn đầu trong cuộc đua nhiệt hạch toàn cầu.

Theo một nghiên cứu được bình duyệt đăng trên Applied Sciences, vỏ bọc CHSN01 không chỉ đáp ứng mà còn vượt hiệu năng của vật liệu được sử dụng trong ITER, cho phép chấp nhận khuyết tật lớn hơn và tạo biên độ an toàn rộng hơn. Điều này đem lại lợi thế đáng kể cho Trung Quốc khi nước này tiến tới xây dựng một nhà máy nhiệt hạch hoạt động thực tế.

Vượt ra ngoài nhiệt hạch: Tương lai của CHSN01

Dù được phát triển dành riêng cho lò phản ứng nhiệt hạch, những đặc tính độc đáo của CHSN01 khiến vật liệu này phù hợp với nhiều ứng dụng khác. Sự kết hợp giữa độ bền cao, khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp và khả năng chống mỏi có thể mang lại lợi ích cho các ngành như hàng không vũ trụ, kỹ thuật nhiệt độ thấp và sản xuất tiên tiến.

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã bắt đầu tìm hiểu việc ứng dụng CHSN01 trong những dự án công nghệ cao khác, đồng thời các đối tác quốc tế ngày càng quan tâm. Khi thế giới chuyển hướng sang các nguồn năng lượng sạch và bền vững hơn, những vật liệu như CHSN01 sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy các công nghệ mới.

Ý nghĩa đối với năng lượng toàn cầu

Việc triển khai thành công CHSN01 trong một lò phản ứng nhiệt hạch đang vận hành không chỉ là cột mốc khoa học mà còn cho thấy năng lượng nhiệt hạch khả thi có thể đến gần hơn nhiều so với nhận định trước đây của nhiều chuyên gia. Nhiệt hạch hứa hẹn cung cấp nguồn năng lượng sạch gần như vô tận, không phát thải khí nhà kính và tạo ra rất ít chất thải phóng xạ. Nếu lò phản ứng BEST của Trung Quốc đạt mục tiêu, dự án có thể mở đường cho các nhà máy điện nhiệt hạch thương mại trên khắp thế giới.

Như một hãng tin quốc tế nhận định,

Việc đưa loại thép tiên tiến này vào sử dụng được xem là bước tiến đáng kể trong cuộc đua toàn cầu nhằm hiện thực hóa năng lượng nhiệt hạch hạt nhân khả thi.

Thách thức và các bước tiếp theo

Dù tạo nhiều kỳ vọng, vẫn còn những thách thức đáng kể. Xây dựng và vận hành một lò phản ứng nhiệt hạch là công việc vô cùng phức tạp, đòi hỏi không chỉ vật liệu tiên tiến mà còn những đột phá trong vật lý plasma, công nghệ siêu dẫn và kỹ thuật quy mô lớn. Lò phản ứng BEST vẫn đang được xây dựng, và sẽ cần nhiều năm thử nghiệm, hoàn thiện trước khi điện nhiệt hạch trở thành hiện thực thương mại.

Dẫu vậy, sự phát triển của CHSN01 đánh dấu bước tiến lớn. Thành tựu này cho thấy với đầu tư bền bỉ, hợp tác và óc sáng tạo khoa học, ngay cả những rào cản kỹ thuật tưởng chừng nan giải nhất cũng có thể vượt qua.

Tóm tắt

• Trung Quốc đã phát triển CHSN01, loại thép siêu bền đột phá được thiết kế để chịu những điều kiện khắc nghiệt bên trong lò phản ứng nhiệt hạch hạt nhân.
• CHSN01 có độ bền, độ dẻo và khả năng chống mỏi vượt trội ở nhiệt độ đông lạnh, hơn các vật liệu trước đây như thép không gỉ 316LN.
• Vật liệu này hiện được sử dụng trong lò phản ứng nhiệt hạch BEST của Trung Quốc, đánh dấu cột mốc quan trọng trong cuộc đua toàn cầu hướng tới năng lượng nhiệt hạch khả thi.
• Những đặc tính độc đáo của CHSN01 có thể được ứng dụng ngoài lĩnh vực nhiệt hạch, mang lại lợi ích cho các ngành như hàng không vũ trụ và kỹ thuật nhiệt độ thấp.
• Dù vẫn còn nhiều thách thức, việc triển khai thành công CHSN01 đưa giấc mơ về nguồn năng lượng nhiệt hạch sạch, vô tận tiến gần hơn một bước tới hiện thực.