Lần đầu tiên sau 30 năm, các nhà máy hạt nhân nhiệt độ cao có thể sử dụng kim loại mới

Lần đầu tiên trong 30 năm trở lại đây, các nhà máy hạt nhân nhiệt độ cao sẽ có thể sử dụng một kim loại mới.

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho (INL, Mỹ) vừa công bố phê chuẩn một kim loại nhiệt độ cao mới sau dự án tìm kiếm kéo dài 12 năm trời với nguồn tài trợ 15 triệu USD của Bộ Năng lượng. Alloy 617, một sự kết hợp của nickel, chromium, cobalt, và molybdenum, có đặc tính bền bỉ và chịu được nhiệt độ cao hơn 926 độ C. Các nhà khoa học nói rằng điều này có nghĩa nó có thể được sử dụng trong các cơ sở hạt nhân nhiệt độ cao, cũng như các ứng dụng tiên tiến như lò phản ứng hạt nhân muối nóng chảy.

Việc Alloy 617 được lọt vào danh sách "Boiler and Pressure Vessel Code" của Hội Kỹ sư Cơ khí Mỹ (ASME) giống như tìm cách để có đủ điều kiện tham dự Olympics vậy. Nó là vật liệu mới đầu tiên loạt vào danh sách trong 30 năm trở lại đây. Và không như các vật liệu sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ, các lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao có rất ít lựa chọn.

Alloy 617 là vật liệu mới đầu tiên loạt vào danh sách trong 30 năm trở lại đây.

"Ngược với các nhà máy nước nhẹ - những nhà máy thương mại, nơi bạn có thể thấy từ 50 đến 100 vật liệu – chỉ có đúng 5 vật liệu dùng được trong lò phản ứng nhiệt độ cao mà thôi", trưởng dự án INL, Richard Wright nói.

Chính vì vậy, các nhà nghiên cứu hạt nhân và người trong ngành đã quan sát Alloy 617 với sự hào hứng cao độ, đồng thời họ còn tạo ra những vật liệu liên quan đến nó với đặc tính mạnh mẽ hơn nhiều.

Trong một bài viết trên tạp chí Materials for Ultra-Supercritical and Advanced Ultra-Supercritical Power Plants hồi năm 2017, nhà khoa học kim loại Jutta Klower đã giải thích về chất lượng của một số biến thể từ Alloy 617 là Alloy 617B và 617occ, vốn có "thêm boron và các thành phần hợp kim hóa thấp" nhằm tăng cường các đặc tính như độ chùng ứng suất và độ bền lâu dài.

Dù nghe có phần hơi lạ tai, nhưng "độ chùng ứng suất" là cách các vật liệu tái phân phối nội lực để đối phó với tình trạng quá tải. Nhưng khi có tác động của nhiệt độ rất cao hoặc liên tục thay đổi, độ chùng ứng suất có thể gây ra nứt gãy.

"Độ bền lâu dài" (creep rupture) cũng tương tự. "Creep" là việc các kim loại và vật liệu khác di chuyển và cuối cùng sẽ biến dạng theo thời gian. Nếu vật liệu bị uốn cong hoặc bẻ gãy hoàn toàn, đó là "yield", không phải "creep"; nếu nó tan chạy ở nhiệt độ cao, đó là "melt". Nhưng "creep" có thể diễn ra trong cả hai tình huống trước khi vật liệu "yield" hoặc "melt".

Theo Engineer Edge giải thích thì: "Ở nhiệt độ phòng, các vật liệu có cấu trúc có độ căng mà chúng sẽ thể hiện ngay khi có tải áp lên trên. Ở nhiệt độ cao, mọi thứ có thể không như vậy (ví dụ, thép không gỉ ở trên 1.000 độ F hoặc zircaloy ở trên 500 độ F). Ở nhiệt độ cao và chịu tải liên tục, nhiều vật liệu tiếp tục biến dạng ở tần suất thấp. Hành vi này gọi là creep".

Đối với công nghệ như muối nóng chảy, trong đó việc đưa lò phản ứng lên đến nhiệt độ phù hợp sẽ tốn rất nhiều thời gian, các vật liệu bền bỉ là tối quan trọng. Phản ứng muối nóng chảy làm sao đạt được hiệu quả nếu thiết bị đựng nóng chảy hoặc biến dạng chứ? Danh sách các vật liệu có thể sử dụng tăng lên dù chỉ 20% cũng sẽ mang lại cho các nhà nghiên cứu thêm các lựa chọn và ý tưởng mới, trong bối cảnh họ tiếp tục thử nghiệm các mô hình nhà máy nhiệt độ cao mới.

Ngoài ra, điều này còn có nghĩa chúng ta sẽ có thêm các vật liệu tốt hơn phục vụ trong các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân nhiệt độ siêu cao nữa.

• Kim loại siêu đặc biệt có thể ghi nhớ đặc tính ở dạng lỏng của chính nó
• Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao dựa trên nền sắt đầu tiên

Từ khóa liên quan:

nhà máy điện hạt nhân

nhà máy hạt nhân nhiệt độ cao

kim loại mới

kim loại nhiệt độ cao mới

kim loại Alloy 617

lò phản ứng nhiệt độ cao