Trung Quốc đột phá thép CHSN01 cho lò phản ứng nhiệt hạch

Trung Quốc đang thu hút sự chú ý toàn cầu trong lĩnh vực năng lượng 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 nhận định là không thể thực hiện.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân vốn được xem là “chén thánh” của ngành năng lượng, mô phỏng quá trình tạo ra năng lượng của Mặt Trời để cung cấp nguồn điện sạch, gần như vô hạn. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất hiện nay nằm ở vật liệu cấu trúc có thể chịu được môi trường vận hành cực hạn.

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. Sự kết hợp giữa nhiệt độ siêu cao, nhiệt độ siêu thấp và ứng suất cơ học lớn đặt ra yêu cầu khắt khe về độ bền vật liệu. Hợp kim CHSN01 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 thương mại.

Vượt qua giới hạn vật liệu của các dự án quốc tế

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, hiệu quả giam giữ plasma càng cao, nhưng vật liệu kết cấu phải chịu được ứng suất lớn mà không bị giòn.

Các loại 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 dự án quốc tế ITER vào năm 2011, hiện tượng mất độ dẻo ở nhiệt độ thấp đã xuất hiện, gây chậm tiến độ nghiêm trọng. Nhận thấy đây là rào cản lớn, các nhà khoa học Trung Quốc đã nghiên cứu loại thép mới với mục tiêu đáp ứng từ trường thiết kế lên tới 20 Tesla cho lò phản ứng BEST.

Hành trình 10 năm phát triển thép CHSN01

Quá trình phát triển CHSN01 kéo dài hơn một thập kỷ với sự tham gia của các chuyên gia hàng đầu. 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 âm sâu.

Bước ngoặt xuất hiện vào năm 2020 khi Viện sĩ Triệu Trung Hiến, chuyên gia hàng đầu về vật lý nhiệt độ thấp, tham gia dẫn dắt nhóm. Đến năm 2023, các thử nghiệm cho thấy CHSN01 giữ được tính toàn vẹn dưới từ trường 20 Tesla và ứng suất 1.300 MPa. Vật liệu này đạt được độ bền kéo 1.500 MPa và độ giãn dài trên 25% ở nhiệt độ thấp, giải quyết bài toán “tam giác bất khả thi” trong khoa học vật liệu.

Tác động đến cuộc đua năng lượng toàn cầu

Hiện tại, đã có 500 tấn thép 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. So với ITER, dự án BEST hướng thẳng tới việc chứng minh khả năng sản xuất điện thương mại.

Thép CHSN01 cho phép thiết kế lò phản ứng nhỏ gọn hơn, chỉ bằng khoảng một phần ba kích thước thông thường, giúp giảm chi phí xây dựng. Ngoài nhiệt hạch, vật liệu này còn có tiềm năng ứng dụng trong máy gia tốc hạt, tàu điện từ trường và hệ thống điện toán lượng tử. Sự đột phá này khẳng định lợi thế của Trung Quốc trong chuỗi cung ứng năng lượng sạch và thúc đẩy cuộc đua nhiệt hạch toàn cầu sang giai đoạn mới.