Bí mật đằng sau loại thép có thể chịu từ trường 20 Tesla, thứ đang thay đổi cuộc đua nhiệt hạch toàn cầu

[NhatDuy]

Trung Quốc đang thu hút sự chú ý toàn cầu trong lĩnh vực phản ứng tổng hợp hạt nhân nhờ phát triển thành công loại thép siêu bền CHSN01. Đây là vật liệu có khả năng chịu được những điều kiện khắc nghiệt bên trong lò phản ứng nhiệt hạch, điều mà nhiều chuyên gia quốc tế từng cho là không thể. Phản ứng tổng hợp hạt nhân từ lâu được xem là “chén thánh” của ngành năng lượng, mô phỏng quá trình tạo năng lượng trong Mặt Trời, cung cấp điện sạch, gần như vô hạn. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất không nằm ở lý thuyết vật lý mà ở vật liệu cấu trúc.

Bên trong lõi lò phản ứng, plasma đạt nhiệt độ hàng triệu độ C, trong khi các nam châm siêu dẫn bao quanh phải được làm lạnh tới gần độ không tuyệt đối, khoảng -269 độ C, và đồng thời chịu từ trường cực mạnh. Sự kết hợp giữa nhiệt độ siêu cao, nhiệt độ siêu thấp và ứng suất cơ học lớn đặt ra yêu cầu khắt khe với kim loại. Các dự án quốc tế như ITER đã nhiều lần gặp vấn đề khi thép chịu nhiệt độ thấp trở nên giòn, gây chậm tiến độ. Trong bối cảnh đó, hợp kim mới do Trung Quốc phát triển đã mở đường cho lò phản ứng BEST, một dự án hướng thẳng tới mục tiêu sản xuất điện.

Yêu cầu vật liệu khắt khe trong lò phản ứng nhiệt hạch​

Phản ứng tổng hợp hạt nhân cần từ trường cực mạnh để giam giữ plasma ổn định. Nam châm tạo từ trường này sử dụng vật liệu siêu dẫn và phải vận hành trong môi trường heli lỏng, ở khoảng -269 độ C. Từ trường càng mạnh thì hiệu quả giam giữ plasma càng cao, nhưng vật liệu kết cấu phải chịu được ứng suất lớn mà không bị giòn.

Thép không gỉ truyền thống như 316LN đã đạt tới giới hạn khi làm việc dưới từ trường 11,8 Tesla. Trong các thử nghiệm của ITER năm 2011, hiện tượng mất độ dẻo ở nhiệt độ thấp đã xuất hiện, khiến dự án bị chậm đáng kể. Nhận thấy đây là rào cản lớn cho việc thương mại hóa điện nhiệt hạch, các nhà khoa học Trung Quốc đã bắt đầu nghiên cứu các loại thép mới bền hơn. Mục tiêu của lò phản ứng BEST không chỉ là nghiên cứu khoa học mà là sản xuất điện, nên yêu cầu vật liệu còn cao hơn, với từ trường thiết kế lên tới 20 Tesla.

Hành trình phát triển thép CHSN01​

Quá trình phát triển CHSN01 kéo dài hơn một thập kỷ và gặp không ít khó khăn. Giai đoạn đầu, nhóm nghiên cứu tập trung điều chỉnh thành phần thép, bổ sung vanadi, carbon và nitơ để cải thiện tính chất ở nhiệt độ thấp. Dù kết quả ban đầu tích cực, hiệu suất vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu của lò phản ứng nhiệt hạch.

Bước ngoặt xuất hiện vào năm 2020, khi Viện sĩ Triệu Trung Hiến, chuyên gia hàng đầu về vật lý nhiệt độ thấp và là người từng nhận Giải thưởng Khoa học và Công nghệ Nhà nước, tham gia nhóm nghiên cứu. Dưới sự dẫn dắt của ông, nhóm đã xác định lại các tiêu chuẩn mục tiêu: độ bền kéo 1.500 MPa và độ giãn dài trên 25% ở nhiệt độ thấp. Sau hai năm nghiên cứu chuyên sâu, các thử nghiệm năm 2023 cho thấy CHSN01 vẫn giữ được tính toàn vẹn dưới từ trường 20 Tesla và ứng suất 1.300 MPa, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về khả năng chống mỏi. Loại thép này đạt được sự cân bằng hiếm có giữa độ bền và độ dẻo dai, giải quyết bài toán “tam giác bất khả thi” trong khoa học vật liệu.

Ứng dụng trong lò phản ứng BEST và tác động toàn cầu​

Về mặt kỹ thuật, CHSN01 là thép chịu nhiệt độ cao, có giới hạn chảy 1.500 MPa, độ giãn dài trên 25% ở nhiệt độ thấp và không bị giòn trong môi trường heli lỏng. So với thép sử dụng trong ITER, vật liệu này có khả năng chịu từ trường gần gấp đôi, tuổi thọ mỏi cao hơn và phù hợp cho vận hành dài hạn. Việc sản xuất hoàn toàn trong nước giúp Trung Quốc giảm phụ thuộc vào nhập khẩu. Đã có 500 tấn CHSN01 được sử dụng cho lớp vỏ dẫn điện của BEST, với quá trình lắp đặt bắt đầu từ tháng 5/2023. BEST là thiết bị tokamak đặt mục tiêu tăng năng lượng hơn 5 lần và dự kiến hoàn thành vào năm 2027, khi đó có khả năng sản xuất điện, đánh dấu bước chuyển từ thử nghiệm sang ứng dụng.

So với ITER, một dự án hợp tác đa quốc gia tập trung kiểm chứng tính khả thi vật lý với từ trường tối đa 11,8 Tesla, BEST hướng thẳng tới thương mại hóa với yêu cầu vật liệu cao hơn nhiều. Nhà nghiên cứu Li Laifeng từng dự đoán từ năm 2011 rằng các lò phản ứng tương lai sẽ vượt chuẩn ITER, và thực tế đang đi đúng hướng. Trong quá trình phát triển, nhóm Trung Quốc đã xây dựng liên minh quốc tế gồm viện nghiên cứu, doanh nghiệp và chuyên gia hàn, tạo nên mô hình hợp tác hiệu quả. CHSN01 còn có khả năng chịu khuyết tật nhỏ; một vết nứt 6 mm vuông vẫn không ảnh hưởng đến 60.000 chu kỳ xung, giúp đơn giản hóa sản xuất và giảm chi phí.

Tác động của CHSN01 không chỉ giới hạn trong nhiệt hạch. Vật liệu này cho phép thiết kế lò phản ứng nhỏ gọn hơn, giảm kích thước xuống còn khoảng một phần ba, từ đó giảm chi phí xây dựng và hỗ trợ lắp ráp mô-đun. Ngoài ra, nó còn phù hợp cho máy gia tốc hạt, tàu điện từ trường và các hệ thống điện toán lượng tử đông lạnh, những lĩnh vực đều yêu cầu kim loại chịu nhiệt độ thấp và áp suất cao.

Trong bối cảnh toàn cầu, sự đột phá này thúc đẩy cạnh tranh và đầu tư vào năng lượng nhiệt hạch. Truyền thông phương Tây thừa nhận rằng điều từng được xem là “bất khả thi” nay đã trở thành hiện thực. Nếu BEST được kích hoạt thành công vào năm 2027, tiềm năng thương mại của điện nhiệt hạch sẽ được chứng minh rõ ràng hơn, thúc đẩy nâng cấp toàn bộ chuỗi công nghiệp. Thành tựu của CHSN01 cho thấy đổi mới vật liệu là nền tảng của cuộc cách mạng năng lượng, và chiến lược dài hạn của Trung Quốc trong lĩnh vực năng lượng sạch đang mang lại lợi thế đáng kể. (Sohu)