Bong bóng heli siêu nóng, ‘ác mộng’ của lò phản ứng tổng hợp hạt nhân

Bong bóng heli là vấn đề nan giải trong các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân. Ảnh: Popular Mechanics.

Các nhà khoa học nghiên cứu vật liệu mới để giải quyết hiện tượng bong bóng heli phá hủy kim loại, được coi là “ác mộng” trong các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân, theo Popular Mechanics.

Lò phản ứng tổng hợp hạt nhân đốt nóng hydro lên hàng triệu độ C để tạo thành heli trong phản ứng nhiệt hạch. Tuy nhiên quá trình này thường đòi hỏi nguồn  năng lượng đầu vào để khởi động phản ứng rất lớn, có thể nhiều hơn cả mức năng lượng tạo ra.

Ngoài việc phải xác định tỷ lệ phù hợp của ion hydro, chất đồng vị deuterium, helium-3 và tìm cách đốt nóng hỗn hợp để tạo ra phản ứng nhiệt hạch, các chuyên gia còn phải giải quyết một vấn đề quan trọng, đó là làm thế nào để thiết kế một lò phản ứng có thể chịu được nhiệt độ và áp lực cực lớn của phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Trong lò phản ứng tổng hợp hạt nhân, hỗn hợp plasma của khí heli sinh ra khi nung nóng hydro lên hàng trăm triệu độ C có thể xâm nhập các bộ phận kim loại. Khi heli đi qua chất rắn, nó sẽ tạo thành các bong bóng tương tự bong bóng CO2 trong đồ uống có ga.

Những bong bóng này sẽ để lại nhiều lỗ hổng trong kim loại và dần làm yếu kết cấu của các bộ phận trong lò phản ứng. Dù thu được các phản ứng năng lượng dương thì chúng cũng có thể phá hủy lò phản ứng trước khi mức năng lượng tạo ra bù đắp được chi phí xây dựng ban đầu.

“Các bong bóng heli bên trong kim loại sẽ ở đó vĩnh viễn vì kim loại là chất rắn. Khi heli tích lũy càng nhiều, số bong bóng này bắt đầu liên kết với nhau và phá hủy toàn bộ kim loại”, Michael Demkowicz, giáo sư tại Đại học Texas A&M, cho biết.

Demkowicz cùng đồng nghiệp hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos để tìm ra giải pháp mới. Họ xem xét ảnh hưởng của bong bóng heli lên nanocomposite, vật liệu rắn gồm một lớp kim loại mỏng, chiều rộng nhỏ hơn 50 nanomet, kẹp giữa các lớp kim loại khác dày hơn. Trong trường hợp này, nhóm nghiên cứu đặt một lớp đồng mỏng giữa hai lớp vanadium dày, sau đó bơm heli vào đồng.

Heli tạo thành các rãnh khi đi qua nanocomposite. Ảnh: Texas A&M.

Các nhà khoa học ngạc nhiên nhận thấy heli tạo ra những đường rãnh trên nanocomposite thay vì bong bóng như với các kim loại thông thường. Nếu những đường rãnh hợp thành mạng lưới ổn định cho heli đi qua thì vật liệu này có thể bền hơn các kim loại đang sử dụng trong thí nghiệm tổng hợp hạt nhân.

“Chúng tôi rất phấn khích trước những gì chứng kiến. Khi cho càng nhiều heli vào trong nanocomposite, các rãnh heli lại bắt đầu nối với nhau thay vì phá hủy vật liệu này và tạo ra một dạng hệ mạch”, Demkowicz nói.

Ngoài việc tạo ra vật liệu mới có khả năng chống chịu tốt hơn cho lò phản ứng tổng hợp hạt nhân, Demkowicz tin rằng phát hiện mới có thể ứng dụng vào nhiều nghiên cứu khoa học khác.

“Ứng dụng trong lò phản ứng tổng hợp hạt nhân chỉ là phần nổi của tảng băng. Tôi nghĩ khả năng ứng dụng rộng hơn nằm ở việc tạo ra các rãnh trong chất rắn, giống như các mô với hệ mạch. Chúng ta sẽ vận chuyển được gì qua các hệ mạch như thế? Có thể là hơi nóng, điện năng, thậm chí các chất hóa học giúp vật liệu tự liền lại”, Demkowicz nhận xét.

Thu Thảo