Các nhà nghiên cứu báo cáo về các hợp kim kim loại có thể hỗ trợ năng lượng tổng hợp hạt nhân

Các nhà nghiên cứu báo cáo về các hợp kim kim loại có thể hỗ trợ năng lượng tổng hợp hạt nhân

    Các nhà nghiên cứu báo cáo về các hợp kim kim loại có thể hỗ trợ năng lượng tổng hợp hạt nhân

    Metal alloys to support to nuclear fusion energy

    Cần phải có những vật liệu bền và cứng đặc biệt để chịu được nhiệt độ cao và bức xạ bên trong các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân, chẳng hạn như lò phản ứng được thấy ở đây. Ảnh: Viện Năng lượng Nhiệt hạch Hàn Quốc


    Vào cuối năm 2022, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore thông báo rằng họ đã lần đầu tiên quan sát thấy mức tăng năng lượng ròng thông qua phản ứng tổng hợp hạt nhân. Cột mốc quan trọng này đối với năng lượng nhiệt hạch thể hiện một bước tiến vượt bậc trong việc cung cấp năng lượng cho các gia đình và doanh nghiệp của chúng ta bằng nguồn năng lượng trung tính carbon. Nhưng việc biến thành tựu khoa học này thành một nguồn năng lượng thực tế cũng đòi hỏi những công nghệ mới để biến một xã hội chạy bằng nhiệt hạch thành hiện thực.

    Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) và Học viện Bách khoa Virginia và Đại học Bang (Virginia Tech) đang giúp hiện thực hóa mục tiêu này thông qua nỗ lực nghiên cứu vật liệu của họ. Công trình gần đây của họ, được xuất bản trong Scientific Reports, chứng minh hợp kim nặng vonfram và cho thấy cách chúng có thể được cải tiến để sử dụng trong các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân tiên tiến bằng cách bắt chước cấu trúc của vỏ sò.

    Jacob Haag, tác giả đầu tiên của bài báo nghiên cứu cho biết: “Đây là nghiên cứu đầu tiên quan sát các giao diện vật chất này ở quy mô chiều dài nhỏ như vậy. "Khi làm như vậy, chúng tôi đã tiết lộ một số cơ chế cơ bản chi phối độ dẻo dai và độ bền của vật liệu."

    Chịu được nhiệt
    Mặt trời—với nhiệt độ lõi khoảng 27 triệu độ F—được cung cấp bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi các phản ứng nhiệt hạch tỏa ra rất nhiều nhiệt. Trước khi các nhà khoa học có thể khai thác năng lượng nhiệt hạch làm nguồn năng lượng, họ cần tạo ra các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân tiên tiến có thể chịu được nhiệt độ cao và các điều kiện chiếu xạ đi kèm với phản ứng nhiệt hạch.

    Trong tất cả các nguyên tố trên Trái đất, vonfram có một trong những điểm nóng chảy cao nhất. Điều này làm cho nó trở thành vật liệu đặc biệt hấp dẫn để sử dụng trong các lò phản ứng nhiệt hạch. Tuy nhiên, nó cũng có thể rất giòn. Trộn vonfram với một lượng nhỏ các kim loại khác, chẳng hạn như niken và sắt, tạo ra một hợp kim cứng hơn vonfram đơn độc trong khi vẫn giữ được nhiệt độ nóng chảy cao.

    Không chỉ thành phần của chúng mang lại cho các hợp kim nặng vonfram này các đặc tính của chúng—việc xử lý cơ nhiệt đối với vật liệu có thể làm thay đổi các đặc tính như độ bền kéo và độ bền đứt gãy. Một kỹ thuật cán nóng đặc biệt tạo ra các vi cấu trúc trong hợp kim nặng vonfram bắt chước cấu trúc của xà cừ, còn được gọi là xà cừ, trong vỏ sò. Xà cừ được biết là thể hiện sức mạnh phi thường, bên cạnh màu sắc óng ánh tuyệt đẹp. Các nhóm nghiên cứu của PNNL và Virginia Tech đã điều tra các hợp kim nặng vonfram bắt chước xà cừ này cho các ứng dụng tổng hợp hạt nhân tiềm năng.

    Haag cho biết: “Chúng tôi muốn hiểu tại sao những vật liệu này thể hiện những tính chất cơ học gần như chưa từng có trong lĩnh vực kim loại và hợp kim.

    Kiểm tra cấu trúc vi mô cho độ dẻo dai chính
    Để xem xét kỹ hơn cấu trúc vi mô của hợp kim, Haag và nhóm của ông đã sử dụng các kỹ thuật mô tả đặc tính vật liệu tiên tiến, chẳng hạn như kính hiển vi điện tử truyền qua quét để quan sát cấu trúc nguyên tử. Họ cũng lập bản đồ thành phần kích thước nano của giao diện vật liệu bằng cách sử dụng kết hợp quang phổ tia X tán sắc năng lượng và chụp cắt lớp đầu dò nguyên tử.

    Trong cấu trúc giống như xà cừ, hợp kim nặng vonfram bao gồm hai pha riêng biệt: pha "cứng" của vonfram gần như nguyên chất và pha "dẻo" chứa hỗn hợp niken, sắt và vonfram. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng độ bền cao của hợp kim nặng vonfram đến từ sự liên kết tuyệt vời giữa các pha khác nhau, bao gồm các pha "cứng" và "dẻo" liên kết mật thiết với nhau.

    Wahyu Setyawan, nhà khoa học máy tính PNNL và đồng tác giả của bài báo cho biết: "Mặc dù hai giai đoạn riêng biệt tạo ra một hỗn hợp cứng rắn, nhưng chúng đặt ra những thách thức đáng kể trong việc chuẩn bị các mẫu vật chất lượng cao để mô tả đặc tính". "Các thành viên trong nhóm của chúng tôi đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ này, điều này cho phép chúng tôi tiết lộ cấu trúc chi tiết của các ranh giới xen kẽ cũng như sự phân cấp hóa học giữa các ranh giới này."

    Nghiên cứu chứng minh cách cấu trúc tinh thể, hình học và hóa học góp phần tạo nên các giao diện vật liệu chắc chắn trong các hợp kim nặng vonfram. Nó cũng tiết lộ các cơ chế để cải thiện thiết kế và đặc tính của vật liệu cho các ứng dụng nhiệt hạch.

    Haag cho biết: “Nếu các hợp kim hai pha này được sử dụng bên trong lò phản ứng hạt nhân, thì cần phải tối ưu hóa chúng để đảm bảo an toàn và tuổi thọ.

    Xây dựng thế hệ tiếp theo của vật liệu nhiệt hạch
    Những phát hiện được trình bày trong nghiên cứu này đã được mở rộng hơn nữa theo nhiều khía cạnh trong PNNL và trong cộng đồng nghiên cứu khoa học. Nghiên cứu mô hình hóa vật liệu đa quy mô đang được tiến hành tại PNNL để tối ưu hóa cấu trúc, hóa học và kiểm tra độ bền của các giao diện vật liệu khác nhau, cũng như các nghiên cứu thử nghiệm để quan sát cách các vật liệu này hoạt động dưới nhiệt độ khắc nghiệt và điều kiện chiếu xạ của một lò phản ứng nhiệt hạch.

    "Đây là thời điểm thú vị cho năng lượng nhiệt hạch với những mối quan tâm mới từ Nhà Trắng và khu vực tư nhân. Nghiên cứu mà chúng tôi thực hiện nhằm tìm ra các giải pháp vật chất cho các hoạt động kéo dài là hết sức cần thiết để đẩy nhanh việc hiện thực hóa các lò phản ứng nhiệt hạch." Setyawan nói.

    Các tác giả khác của PNNL là Jing Wang (trước đây của PNNL), Karen Kruska, Matthew Olszta, Charles Henager, Danny Edwards và Mitsu Murayama, người cũng có một cuộc hẹn chung với Virginia Tech.

    Zalo
    Hotline