Công trường lắp ráp lò phản ứng BEST. Ảnh: Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc
Trong nhiều thập kỷ, những dự án nhiệt hạch như Lò phản ứng Nhiệt hạt nhân Thử nghiệm Quốc tế (ITER) sử dụng thép không gỉ đông lạnh, bị mất dần độ dẻo dai khi chu kỳ lặp lại, khiến từ trường của ITER giới hạn mức 11,8 tesla và buộc phải thiết kế cỗ máy lớn tốn kém. Với mục tiêu xây dựng tokamak sản xuất điện nhỏ hơn, các nhà chức trách Trung Quốc xác định họ cần vỏ lò có thể chịu áp lực cao hơn mà không bị nứt.
Kết quả sau 12 năm phát triển vật liệu là thép CHSN01 chịu được từ trường 20 tesla và áp suất điện từ 1,3 Gpa (một GPa tương đương 1.000.000.000 Pa), đồng thời kéo giãn khoảng 30% trước khi gãy. Loại thép này vẫn giữ được những đặc tính nêu trên sau 60.000 chu kỳ bật - tắt của Lò tokamak siêu dẫn thử nghiệm plasma cháy của Trung Quốc (BEST).
Các kỹ sư bắt đầu với Nitronic-50, một loại thép austenitic gia cố bằng nitơ, và giảm lượng carbon xuống dưới 0,01%. Mức độ carbon cực thấp ngăn hợp kim carbide giòn hình thành trong nhiều năm hoạt động. Tiếp theo, nhóm nghiên cứu nâng lượng nitơ của hợp kim lên khoảng 0,30%, đồng thời tăng nhẹ lượng niken. Nitơ và niken cùng giữ kim loại trong pha cứng dẻo ngay cả khi nhiệt độ giảm xuống -269 độ C.
Một lượng nhỏ vanadi được thêm vào sau khi đạt sự cân bằng carbon - nitơ, tạo ra các hạt vanadi - nitride chỉ rộng vài nanomet, giúp cố định điểm đứt gãy và tăng độ bền mà không giảm bớt sự dẻo dai. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu giới hạn tỷ lệ oxy, phospho và lưu huỳnh dưới 0,02% để không có tạp chất nào khởi đầu rạn nứt dưới áp lực từ. Các chỉnh sửa giúp CHSN01 bền hơn khoảng 40% so với loại thép dùng cho ITER, nhưng vẫn chống nứt tương đương.
Do CHSN01 dựa trên quy trình sản xuất có sẵn, các nhà máy Trung Quốc có thể mở rộng quy mô nhanh chóng. Đến giữa năm 2025, 500 tấn vỏ lò đã được chuyển đến công trường xây dựng BEST ở Hợp Phì. Theo SCMP, nhà vật lý phụ trách dự án là Li Laifeng chia sẻ khối lượng này chứng minh CHSN01 sẵn sàng cho sản xuất công nghiệp.
Nhà vật lý Zhao Zhongxian, một thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết tiềm năng ứng dụng của CHSN01 vượt xa lò tokamak như dùng cho máy quét cộng hưởng từ, máy gia tốc hạt, tàu đệm từ, thậm chí cả tủ lạnh giãn nở cho máy tính lượng tử, những thiết bị đều dựa vào cấu trúc phải chịu áp lực ở nhiệt độ lạnh, do đó đòi hỏi loại thép bền và dẻo dai hơn.
An Khang (Theo Interesting Engineering, SCMP)