Các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu và đánh giá kết quả thu được cho thấy ở một số hợp kim nhất định, việc tiếp xúc với bức xạ proton có thể kéo dài tuổi thọ vật liệu. Bức xạ gần như luôn làm suy giảm đặc tính vật liệu tiếp xúc với nó, đẩy nhanh sự thoái hóa của chúng đến mức phải thay thế các bộ phận quan trọng trong môi trường bức xạ như lò phản ứng hạt nhân. Nhưng đối với một số hợp kim nhất định có thể được sử dụng trong các lò phản ứng phân hạch hoặc nhiệt hạch, điều ngược lại lại đúng. Các nhà nghiên cứu tại MIT và ở California hiện đã phát hiện ra rằng thay vì đẩy nhanh quá trình phân hủy vật liệu, bức xạ thực sự giúp cải thiện độ bền của nó, có khả năng tăng gấp đôi công dụng.
Phát hiện mới này có thể mang lại lợi ích cho một số thiết kế lò phản ứng tiên tiến, mới, bao gồm các lò phản ứng phân hạch làm mát bằng muối nóng chảy và các lò phản ứng nhiệt hạch mới như ARC đang được phát triển bởi MIT và Commonwealth Fusion Systems. Phát hiện này gây ngạc nhiên cho các nhà khoa học và đã được đưa ra trên Tạp chí Nature Communications, trong bài báo của Giáo sư khoa học và kỹ thuật hạt nhân MIT Michael Short, nghiên cứu sinh Weiyue Zhou và 05 nhà nghiên cứu khác tại MIT và tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu đang tìm cách định lượng tác động ngược lại của bức xạ đối với các dạng vật liệu khác nhau. Ban đầu, họ muốn xác định lượng bức xạ sẽ làm tăng tốc độ ăn mòn trong một số hợp kim của niken và crom có thể được sử dụng làm lớp bọc cho các tổ hợp nhiên liệu hạt nhân.
Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử quang học cho thấy các vùng được chiếu xạ và không chiếu xạ của hợp kim niken-crom. Phía bên trái thể hiện lá kim loại được chiếu xạ, thay vì làm giảm chất lượng vật liệu, bức xạ làm cho vật liệu bền hơn bằng cách giảm tốc độ ăn mòn (Nguồn: DAVID L.)
Các thí nghiệm rất khó thực hiện vì không thể đo nhiệt độ trực tiếp tại bề mặt giữa muối nóng chảy được sử dụng làm chất làm mát và bề mặt hợp kim kim loại. Vì vậy, họ đưa ra các điều kiện gián tiếp bằng cách đặt pin cảm biến bao quanh vật liệu. Tuy nhiên, ngay từ đầu, các cuộc thử nghiệm đã cho thấy những dấu hiệu tác động ngược lại – sự ăn mòn, nguyên nhân chính gây ra hư hỏng vật liệu trong môi trường khắc nghiệt của lò phản ứng, dường như bị giảm đi thay vì tăng tốc khi được ngâm trong bức xạ, trong trường hợp này dòng proton là rất cao.
Thí nghiệm được lặp lại nhiều lần, với các điều kiện khác nhau và mỗi lần đều nhận được kết quả giống nhau: cho thấy sự ăn mòn đã bị trì hoãn. Loại môi trường lò phản ứng mà nhóm mô phỏng trong các thí nghiệm liên quan đến việc sử dụng natri, lithium và muối kali nóng chảy làm chất làm mát cho cả thanh nhiên liệu hạt nhân trong lò phản ứng phân hạch và bình chân không bao quanh plasma siêu nóng trong phản ứng tổng hợp trong các lò phản ứng tương lai. Khi muối nóng chảy tiếp xúc với kim loại, sự ăn mòn có thể diễn ra nhanh chóng, nhưng với những hợp kim niken-crom này, họ nhận thấy rằng sự ăn mòn mất gấp đôi thời gian để phát triển khi vật liệu được ngâm trong bức xạ từ máy gia tốc proton (môi trường bức xạ tương tự như những gì sẽ được tìm thấy trong các lò phản ứng được đề xuất).
(a) Sơ đồ các quá trình khuếch tán trạng thái rắn trong quá trình ăn mòn muối nóng chảy Ni-20Cr. (b) Sơ đồ các quá trình khuếch tán ở trạng thái rắn trong quá trình ăn mòn muối nóng chảy Ni-20Cr dưới tác dụng của bức xạ proton (Nguồn: Nature Communications)
Việc có thể dự đoán chính xác hơn thời gian sử dụng của các bộ phận quan trọng cho lò phản ứng sẽ làm giảm nhu cầu thay thế sớm. Phân tích cẩn thận hình ảnh bề mặt hợp kim bị ảnh hưởng bằng kính hiển vi điện tử truyền qua, sau khi chiếu xạ kim loại tiếp xúc với muối nóng chảy ở nhiệt độ 650oC (nhiệt độ hoạt động điển hình của muối trong các lò phản ứng), đã giúp tiết lộ cơ chế gây ra các hiệu ứng không mong muốn. Bức xạ có xu hướng tạo ra nhiều khuyết tật nhỏ hơn trong cấu trúc của hợp kim và những khuyết tật này cho phép các nguyên tử kim loại khuếch tán dễ dàng hơn, chảy vào nhanh chóng lấp đầy các khoảng trống do muối ăn mòn tạo ra. Trên thực tế, khuyết tật do bức xạ thúc đẩy một loại cơ chế tự phục hồi bên trong kim loại. Đã có những gợi ý về hiệu ứng như vậy cách đây nửa thế kỷ, khi các thí nghiệm với lò phản ứng phân hạch làm mát bằng muối thử nghiệm ban đầu cho thấy độ ăn mòn vật liệu của nó thấp hơn dự kiến, nhưng lý do cho điều đó vẫn còn là một bí ẩn cho đến khi có nghiên cứu mới này.
Phát hiện này phù hợp với nhiều thiết kế mới được đề xuất cho các lò phản ứng có thể an toàn và hiệu quả hơn so với các thiết kế hiện có. Một số thiết kế cho lò phản ứng phân hạch làm mát bằng muối đã đề xuất, trong đó có một thiết kế của nhóm do Charles Forsberg, nhà khoa học nghiên cứu chính tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân của MIT. Những phát hiện này cũng có thể hữu ích cho một số thiết kế đề xuất cho các loại lò phản ứng nhiệt hạch mới đang được các công ty tích cực theo đuổi, có tiềm năng cung cấp điện mà không phát thải khí nhà kính và ít chất thải phóng xạ hơn.
Từ khóa: Bức xạ; ăn món; vật liệu;
– CMD&DND –
