Trong nhiều thập kỷ, năng lượng nhiệt hạch hạt nhân được coi là nguồn năng lượng tối ưu. Một nhà máy điện nhiệt hạch có thể tạo ra năng lượng không carbon ở quy mô cần thiết để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu. Và nó có thể được cung cấp nhiên liệu bằng deuterium thu được từ một nguồn vô tận—nước biển.
Nguồn: Tạp chí Vật liệu (2024). DOI: 10.1016/j.actamat.2024.119654
Nhiều thập kỷ làm việc và hàng tỷ đô la tài trợ nghiên cứu đã mang lại nhiều tiến bộ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức. Đối với Ju Li, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân của TEPCO và là giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại MIT, vẫn còn hai thách thức lớn.
Đầu tiên là xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch tạo ra nhiều năng lượng hơn mức đưa vào; nói cách khác, nó tạo ra sản lượng điện ròng. Các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang đạt được tiến bộ trong việc đạt được mục tiêu đó.
Thách thức thứ hai mà Li nêu ra nghe có vẻ đơn giản: "Làm sao để giải tỏa nhiệt?" Nhưng việc hiểu được vấn đề và tìm ra giải pháp đều không hề dễ dàng.
Nghiên cứu trong Sáng kiến Năng lượng MIT (MITEI) bao gồm phát triển và thử nghiệm các vật liệu tiên tiến có thể giúp giải quyết những thách thức đó, cũng như nhiều thách thức khác của quá trình chuyển đổi năng lượng. MITEI có nhiều thành viên doanh nghiệp đã và đang hỗ trợ các nỗ lực của MIT nhằm thúc đẩy các công nghệ cần thiết để khai thác năng lượng nhiệt hạch.
Vấn đề: Sự dư thừa của heli, một lực phá hủy
Chìa khóa của lò phản ứng nhiệt hạch là plasma siêu nóng—một loại khí ion hóa—phản ứng bên trong bình chân không. Khi các nguyên tử nhẹ trong plasma kết hợp để tạo thành các nguyên tử nặng hơn, chúng giải phóng các neutron nhanh có động năng cao bắn qua bình chân không xung quanh vào chất làm mát.
Trong quá trình này, các neutron nhanh đó dần mất năng lượng bằng cách gây ra thiệt hại bức xạ và tạo ra nhiệt. Nhiệt được truyền đến chất làm mát cuối cùng được sử dụng để nâng hơi nước dẫn động tua-bin phát điện.
Vấn đề là tìm vật liệu cho bình chân không đủ bền để tách biệt plasma phản ứng và chất làm mát, đồng thời cho phép các neutron nhanh đi qua chất làm mát.
Nếu chỉ xét đến thiệt hại do các neutron đánh bật các nguyên tử ra khỏi vị trí trong cấu trúc kim loại, bình chân không sẽ tồn tại trong một thập kỷ. Tuy nhiên, tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng trong quá trình chế tạo bình chân không, một số dự đoán cho thấy bình chân không sẽ chỉ tồn tại trong sáu đến 12 tháng.
Tại sao vậy? Các lò phản ứng phân hạch hạt nhân ngày nay cũng tạo ra neutron và những lò phản ứng này có thể hoạt động lâu hơn một năm.
Sự khác biệt là nơtron nhiệt hạch có động năng cao hơn nhiều so với nơtron phân hạch và khi chúng xuyên qua thành bình chân không, một số nơtron sẽ tương tác với hạt nhân của các nguyên tử trong vật liệu cấu trúc, giải phóng các hạt nhanh chóng biến thành nguyên tử heli.
Kết quả là số lượng nguyên tử heli nhiều hơn hàng trăm lần so với số nguyên tử có trong lò phản ứng phân hạch. Những nguyên tử heli này tìm kiếm một nơi nào đó để hạ cánh—một nơi có "năng lượng nhúng" thấp, một phép đo cho biết cần bao nhiêu năng lượng để hấp thụ một nguyên tử heli.
Như Li giải thích, "Các nguyên tử heli thích đi đến những nơi có năng lượng nhúng heli thấp". Và trong các kim loại được sử dụng trong bình chân không nhiệt hạch, có những nơi có năng lượng nhúng heli tương đối thấp—cụ thể là các lỗ hở tự nhiên được gọi là ranh giới hạt.
Kim loại được tạo thành từ các hạt riêng lẻ bên trong đó các nguyên tử được xếp hàng theo một trật tự. Nơi các hạt kết hợp với nhau có những khoảng trống mà các nguyên tử không xếp hàng tốt. Không gian mở đó có năng lượng nhúng heli tương đối thấp, vì vậy các nguyên tử heli tập trung ở đó.
Tệ hơn nữa, các nguyên tử heli có tương tác đẩy lùi với các nguyên tử khác, vì vậy các nguyên tử heli về cơ bản đẩy mở ranh giới hạt. Theo thời gian, lỗ mở phát triển thành một vết nứt liên tục và bình chân không bị vỡ.
Sự tập hợp các nguyên tử heli đó giải thích tại sao cấu trúc này hỏng sớm hơn nhiều so với dự kiến chỉ dựa trên số lượng nguyên tử heli hiện diện. Li đưa ra một phép so sánh để minh họa.
"Babylon là một thành phố của một triệu người. Nhưng tuyên bố là 100 người xấu có thể phá hủy toàn bộ thành phố—nếu tất cả những người xấu đó làm việc tại tòa thị chính." Giải pháp? Hãy cho những người xấu đó những nơi khác hấp dẫn hơn để đến, lý tưởng nhất là ở chính ngôi làng của họ.
Đối với Li, vấn đề và giải pháp khả thi là giống nhau trong lò phản ứng nhiệt hạch. Nếu nhiều nguyên tử heli đi đến ranh giới hạt cùng một lúc, chúng có thể phá hủy thành kim loại.
Giải pháp? Thêm một lượng nhỏ vật liệu có năng lượng nhúng heli thậm chí còn thấp hơn năng lượng của ranh giới hạt. Và trong hai năm qua, Li và nhóm của ông đã chứng minh—cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm—rằng chiến thuật đánh lạc hướng của họ có hiệu quả.
Bằng cách thêm các hạt nano của vật liệu thứ hai được lựa chọn cẩn thận vào thành kim loại, họ phát hiện ra rằng họ có thể ngăn các nguyên tử heli hình thành tụ lại ở các ranh giới hạt dễ bị tổn thương về mặt cấu trúc trong kim loại.
Dựa trên các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, các kỹ sư MIT đã chỉ ra rằng việc thêm các hạt nano của một số loại gốm vào thành kim loại của bình chứa plasma phản ứng bên trong lò phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể bảo vệ kim loại khỏi bị hư hại, kéo dài đáng kể tuổi thọ của kim loại. Giáo sư Ju Li (phải) và tiến sĩ sau tiến sĩ So Yeon Kim (trái) đang kiểm tra các mẫu vật liệu composite mà họ đã chế tạo để trình diễn. Tín dụng: Gretchen Ertl
Tìm kiếm hợp chất hấp thụ heli
Để kiểm tra ý tưởng của mình, Tiến sĩ So Yeon Kim của Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu và Tiến sĩ Haowei Xu của Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đã lấy một mẫu gồm hai vật liệu hoặc "pha", một pha có năng lượng nhúng heli thấp hơn pha kia. Nghiên cứu được công bố trên Acta Materialia.
Sau đó, họ và những người cộng tác đã cấy các ion heli vào mẫu ở nhiệt độ tương tự như trong lò phản ứng nhiệt hạch và quan sát các bong bóng heli hình thành. Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua xác nhận rằng các bong bóng heli chủ yếu xuất hiện ở pha có năng lượng nhúng heli thấp hơn. Như Li lưu ý, "Tất cả thiệt hại đều nằm ở pha đó—bằng chứng cho thấy nó bảo vệ pha có năng lượng nhúng cao hơn".
Sau khi xác nhận phương pháp tiếp cận của mình, các nhà nghiên cứu đã sẵn sàng tìm kiếm các hợp chất hấp thụ heli có thể hoạt động tốt với sắt, thường là kim loại chính trong thành bình chân không.
"Nhưng việc tính toán năng lượng nhúng heli cho tất cả các loại vật liệu khác nhau sẽ đòi hỏi nhiều tính toán và tốn kém", Kim nói. "Chúng tôi muốn tìm một số liệu dễ tính toán và là chỉ số đáng tin cậy về năng lượng nhúng heli".
Họ đã tìm ra một phép đo như vậy: "thể tích tự do ở quy mô nguyên tử", về cơ bản là kích thước tối đa của không gian trống bên trong có sẵn để các nguyên tử heli có khả năng lắng xuống. "Đây chỉ là bán kính của quả cầu lớn nhất có thể vừa với một cấu trúc tinh thể nhất định", Kim giải thích. "Đây là một phép tính đơn giản".
Kiểm tra một loạt các vật liệu gốm hấp thụ heli có thể xác nhận rằng thể tích tự do của nguyên tử tương quan tốt với năng lượng nhúng heli. Hơn nữa, nhiều loại gốm mà họ nghiên cứu có thể tích tự do cao hơn, do đó năng lượng nhúng thấp hơn so với ranh giới hạt.
Tuy nhiên, để xác định các lựa chọn cho ứng dụng tổng hợp hạt nhân, quá trình sàng lọc cần bao gồm một số yếu tố khác. Ví dụ, ngoài thể tích tự do của nguyên tử, một pha thứ hai tốt phải có độ bền cơ học (có thể chịu được tải); nó không được trở nên quá phóng xạ khi tiếp xúc với neutron; và nó phải tương thích—nhưng không quá ấm—với kim loại xung quanh, do đó nó phân tán tốt nhưng không hòa tan vào kim loại.
"Chúng tôi muốn phân tán pha gốm đồng đều trong khối kim loại để đảm bảo rằng tất cả các vùng ranh giới hạt đều gần với pha gốm phân tán để có thể bảo vệ các vùng đó", Li nói. "Hai pha cần phải cùng tồn tại, do đó gốm sẽ không vón cục lại với nhau hoặc hòa tan hoàn toàn trong sắt".
Sử dụng các công cụ phân tích của mình, Kim và Xu đã kiểm tra khoảng 50.000 hợp chất và xác định được 750 ứng viên tiềm năng. Trong số đó, một lựa chọn tốt để đưa vào thành bình chân không chủ yếu làm bằng sắt là silicat sắt.
Kiểm tra thực nghiệm
Các nhà nghiên cứu đã sẵn sàng để kiểm tra các mẫu trong phòng thí nghiệm. Để tạo ra vật liệu tổng hợp cho các cuộc trình diễn chứng minh khái niệm, Kim và các cộng sự đã phân tán các hạt nano silicat sắt vào sắt và cấy heli vào vật liệu tổng hợp đó. Cô đã chụp ảnh nhiễu xạ tia X (XRD) trước và sau khi cấy heli và cũng tính toán các mẫu XRD.
Tỷ lệ giữa heli cấy ghép và silicat sắt phân tán được kiểm soát cẩn thận để cho phép so sánh trực tiếp giữa các mẫu XRD thực nghiệm và tính toán. Cường độ XRD đo được thay đổi theo quá trình cấy heli chính xác như các phép tính đã dự đoán. "Sự thống nhất đó xác nhận rằng heli nguyên tử đang được lưu trữ trong mạng khối của silicat sắt", Kim nói.
Để theo dõi, Kim đã trực tiếp đếm số lượng bong bóng heli trong hỗn hợp. Trong các mẫu sắt không có thêm silicat sắt, ranh giới hạt được bao quanh bởi nhiều bong bóng heli.
Ngược lại, trong các mẫu sắt có thêm pha gốm sắt silicat, các bong bóng heli được phân tán khắp vật liệu, với số lượng ít hơn nhiều dọc theo ranh giới hạt.
Do đó, silicat sắt đã cung cấp các vị trí có năng lượng nhúng heli thấp giúp thu hút các nguyên tử heli ra khỏi ranh giới hạt, bảo vệ các lỗ hổng dễ bị tổn thương đó và ngăn ngừa các vết nứt mở ra khiến bình chân không bị hỏng thảm khốc.
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng chỉ cần thêm 1% (theo thể tích) sắt silicat vào thành sắt của bình chân không sẽ cắt giảm một nửa số bong bóng heli và cũng giảm 20% đường kính của chúng—"và việc có nhiều bong bóng nhỏ là ổn nếu chúng không nằm trong ranh giới hạt", Li giải thích.
Các bước tiếp theo
Cho đến nay, Li và nhóm của ông đã chuyển từ các nghiên cứu tính toán về vấn đề và giải pháp khả thi sang các cuộc trình diễn thử nghiệm xác nhận phương pháp của họ. Và họ đang trên đường chế tạo các thành phần thương mại.
"Chúng tôi đã tạo ra các loại bột tương thích với máy in 3D thương mại hiện có và được nạp sẵn gốm hấp thụ heli", Li cho biết. Các hạt nano hấp thụ heli được phân tán tốt và sẽ cung cấp đủ lượng heli hấp thụ để bảo vệ các ranh giới hạt dễ bị tổn thương trong các kim loại cấu trúc của thành mạch.
Trong khi Li xác nhận rằng vẫn còn nhiều công việc khoa học và kỹ thuật cần phải thực hiện, anh cùng với Alexander O'Brien, Tiến sĩ của Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân và Kang Pyo So, một cựu tiến sĩ cùng khoa, đã thành lập một công ty khởi nghiệp sẵn sàng in 3D các vật liệu cấu trúc có thể đáp ứng mọi thách thức mà bình chân không bên trong lò phản ứng nhiệt hạch phải đối mặt.
Chia sẻ:
