Các kỹ sư phát triển kỹ thuật để kéo dài tuổi thọ của các nhà máy điện nhiệt hạch thế hệ tiếp theo
của Đại học Surrey
(a) Mẫu P91 hàn bằng laser để xác định ứng suất dư, cấu trúc vi mô (EBSD và SEM) và đặc tính độ cứng vi mô, (b) định lượng ứng suất dư lõi vòng PFIB-DIC, (c) phép đo ứng suất dư nanoindentation, trong đó lõi vòng được chế tạo trong quá trình đo PFIB-DIC cung cấp tham chiếu không ứng suất, (d) mẫu xương chó được sử dụng trong thử nghiệm kéo đơn trục ở nhiệt độ phòng và máy đo độ giãn dài ảo được áp dụng trong phân tích DIC, và mẫu hình chữ nhật để thử nghiệm kéo ở nhiệt độ cao bằng thử nghiệm cơ học nhiệt điện. Nguồn: Tạp chí Nghiên cứu và Công nghệ Vật liệu (2025). DOI: 10.1016/j.jmrt.2025.02.260
Trong khi thế giới đang chạy đua để xây dựng nhà máy nhiệt hạch hạt nhân thương mại đầu tiên, các kỹ sư từ Đại học Surrey đã có bước đột phá trong việc hiểu cách các thành phần hàn hoạt động bên trong các điều kiện khắc nghiệt của lò phản ứng—mang đến những hiểu biết quan trọng để thiết kế các hệ thống năng lượng nhiệt hạch an toàn hơn và lâu dài hơn.
Hợp tác với Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh (UKAEA), Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia và nhà cung cấp thiết bị khoa học toàn cầu cho kỹ thuật nano TESCAN, các nhà nghiên cứu đã phát triển và sử dụng một phương pháp vi mô tiên tiến để lập bản đồ các điểm yếu tiềm ẩn bên trong kim loại hàn trong quá trình sản xuất có thể làm hỏng các thành phần lò phản ứng và làm giảm tuổi thọ của chúng.
Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Nghiên cứu và Công nghệ Vật liệu nêu chi tiết cách họ kiểm tra thép P91—một ứng cử viên kim loại rất bền và chịu nhiệt cho các nhà máy nhiệt hạch trong tương lai. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng một kỹ thuật hình ảnh tiên tiến sử dụng chùm ion tập trung plasma và tương quan hình ảnh kỹ thuật số (PFIB-DIC) để lập bản đồ ứng suất dư trong các vùng hàn cực hẹp trước đây quá nhỏ để nghiên cứu bằng các phương pháp thông thường.
Kết quả cho thấy ứng suất bên trong có tác động lớn đến hiệu suất của thép P91—ứng suất có lợi làm cho một số vùng cứng hơn và ứng suất có hại làm cho những vùng khác mềm hơn, ảnh hưởng đến cách kim loại uốn cong và gãy. Ở 550°C, nhiệt độ dự kiến trong lò phản ứng nhiệt hạch, kim loại trở nên giòn hơn và mất hơn 30% độ bền.
Tiến sĩ Tan Sui, Phó Giáo sư (Người đọc) về Kỹ thuật Vật liệu tại Đại học Surrey, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết, "Năng lượng nhiệt hạch có tiềm năng to lớn như một nguồn năng lượng sạch, đáng tin cậy có thể giúp chúng ta giảm lượng khí thải carbon, cải thiện an ninh năng lượng và giảm chi phí năng lượng khi hóa đơn tiền điện tăng cao. Tuy nhiên, trước tiên chúng ta cần đảm bảo lò phản ứng nhiệt hạch an toàn và được chế tạo để sử dụng lâu dài.
"Các nghiên cứu trước đây đã xem xét hiệu suất vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn, nhưng chúng tôi đã tìm ra cách để kiểm tra cách các mối hàn hoạt động trong điều kiện lò phản ứng nhiệt hạch thực tế, đặc biệt là nhiệt độ cao. Những phát hiện này đại diện nhiều hơn cho môi trường nhiệt hạch khắc nghiệt, khiến chúng hữu ích hơn cho thiết kế lò phản ứng trong tương lai và đánh giá an toàn."
Năng lượng nhiệt hạch—quá trình cung cấp năng lượng cho mặt trời và các ngôi sao—hợp nhất các nguyên tử ánh sáng để giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Không giống như năng lượng hạt nhân truyền thống, các vật liệu được sử dụng và chất thải phóng xạ được tạo ra thường có tuổi thọ ngắn và ít nguy hiểm hơn nhiều.
Ngoài phòng thí nghiệm, dữ liệu từ nhóm cung cấp nền tảng để xác thực các mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn và các công cụ dự đoán hỗ trợ máy học, có tiềm năng lớn để đẩy nhanh quá trình thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch như chương trình STEP của Vương quốc Anh và dự án nhà máy điện DEMO của EU. Điều này sẽ giúp các nhà nghiên cứu tinh chỉnh các dự đoán và tập trung vào các kết quả vật liệu tích cực nhất, giúp giảm đáng kể chi phí thử nghiệm.
Tiến sĩ Bin Zhu, nghiên cứu viên tại Trung tâm Vật liệu Kỹ thuật của Đại học Surrey và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: "Công trình của chúng tôi cung cấp một bản thiết kế để đánh giá tính toàn vẹn về mặt cấu trúc của các mối hàn trong lò phản ứng nhiệt hạch và trong nhiều môi trường khắc nghiệt khác nhau. Phương pháp luận mà chúng tôi phát triển sẽ biến đổi cách chúng tôi đánh giá ứng suất dư và có thể áp dụng cho nhiều loại mối nối kim loại. Đây là bước tiến lớn trong việc thiết kế các thành phần an toàn hơn, bền bỉ hơn cho ngành hạt nhân."
Với tương lai thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch, nghiên cứu này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy các công nghệ cần thiết để biến nó thành hiện thực—đưa chúng ta đến gần hơn với việc cung cấp điện an toàn, ít carbon ở quy mô lớn.
Jiří Dluhoš, giám đốc sản phẩm FIB-SEM tại TESCAN, cho biết, "Chúng tôi tự hào rằng các thiết bị FIB-SEM của chúng tôi có thể trở thành một phần của chủ đề quan trọng như vậy trong nghiên cứu vật liệu cho ngành năng lượng. Sự hợp tác lâu dài của chúng tôi với Đại học Surrey để tự động hóa các phép đo ứng suất dư ở cấp độ vi mô chứng minh rằng FIB-SEM plasma có thể được sử dụng thành công để gia công chính xác cao ở cấp độ vi mô."
Thông tin thêm: Bin Zhu và cộng sự, Đánh giá ứng suất dư và hiệu suất cơ học ở nhiệt độ cao của thép P91 hàn bằng laser cho các thành phần nhà máy điện nhiệt hạch, Tạp chí Nghiên cứu Vật liệu trach và Công nghệ (2025). DOI: 10.1016/j.jmrt.2025.02.260
