Trung Quốc tạo ra vật liệu "siêu lì đòn" khiến thế giới chú ý: Thời kỳ sao chép đã qua thật rồi?

Môi trường làm việc trong thiết bị phản ứng tổng hợp hạt nhân tương lai cực kỳ khắc nghiệt, với nhiệt độ tối thiểu -269 độ C. Thép thông thường sẽ đóng băng thành cột băng và dễ vỡ. Mặt khác là một từ trường cực mạnh, tạo ra lực hút tương đương với việc dồn trọng lượng của hàng chục con voi lên một điểm duy nhất, có khả năng xé toạc các thiết bị thành từng mảnh bất cứ lúc nào.

Trước đây, vật liệu tốt nhất được sử dụng trên toàn thế giới là thép không gỉ 316LN, nhưng nó đang gần đạt đến giới hạn của mình. Điều này trực tiếp hạn chế việc cải thiện hiệu suất của các thiết bị nhiệt hạch.

Khi thép CHSN01 của Trung Quốc xuất hiện, nó đã bỏ xa những thế hệ tiền nhiệm. Trong cùng điều kiện cực lạnh, nó mạnh hơn 40% và có thể chịu được lực lớn hơn mà không bị biến dạng. Điều đáng kinh ngạc nhất là mặc dù rất chắc chắn, nó lại không hề giòn; độ bền của nó cực kỳ tốt.

Các nhà khoa học Trung Quốc đã điều chỉnh tỷ lệ các nguyên tố trong thép, giảm thiểu lượng carbon, vốn dễ gây giòn, đồng thời khéo léo bổ sung thêm nitơ và một lượng nhỏ vanadi. Các nguyên tố mới được thêm vào này tạo thành hàng triệu "đinh" nano bên trong thép, khóa chặt toàn bộ cấu trúc vật liệu, do đó tạo nên thân cứng cáp và bền bỉ, không thể phá hủy.

Hơn 10 năm tìm tòi...

Ngay từ năm 2011, các nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã nhận thấy các dự án quốc tế bị cản trở bởi sự thiếu hụt vật liệu, vì vậy họ quyết định tự mình thực hiện. Tuy nhiên, con đường này không hề suôn sẻ.

Đến năm 2019, lô mẫu đầu tiên cuối cùng cũng được sản xuất và hiệu suất của lô mẫu đáp ứng được các tiêu chuẩn, nhưng dự án lại một lần nữa bị đình trệ.

Bước ngoặt thực sự đến vào năm 2021 khi Trung Quốc quyết định khởi động dự án "mặt trời nhân tạo" thế hệ tiếp theo của mình - dự án thiết bị BEST - và đặc biệt yêu cầu loại thép siêu bền hiệu suất cao này. BEST là một cơ sở thí nghiệm nghiên cứu vật lý của plasma cháy, sử dụng công nghệ tokamak siêu dẫn nhỏ gọn từ trường cao và các công nghệ mới như nam châm siêu dẫn hiệu suất cao, gia nhiệt bằng chùm tia trung tính công suất cao và nhiên liệu tổng hợp deuterium-tritium.

Dưới sự dẫn dắt của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, một "liên minh nghiên cứu trọng điểm" đã được thành lập, quy tụ hơn chục công ty thép hàng đầu và các viện nghiên cứu tại Trung Quốc. Đến năm 2023, tất cả các chỉ tiêu của CHSN01 đều đã được đáp ứng, vượt trội so với tất cả các sản phẩm nước ngoài tương tự.

Thép siêu bền định hình lại tương lai của năng lượng nhiệt hạch như thế nào?

Hàng trăm tấn thép siêu bền CHSN01 đã được sử dụng trong việc chế tạo thiết bị BEST. Lợi ích trực tiếp nhất của nó là đã thành công trong việc "thu nhỏ" kích thước khổng lồ của "mặt trời nhân tạo" này. Vì thép có độ bền cao hơn, cấu trúc đỡ ban đầu cần rất dày giờ đây có thể được làm mỏng hơn, giúp toàn bộ hệ thống lõi nhẹ hơn 10% và tiết kiệm hàng trăm tấn vật liệu.

Quan trọng hơn, sự tồn tại của CHSN01 đã tạo điều kiện cho các nhà khoa học thiết kế ra những thiết bị phản ứng tổng hợp hạt nhân tiên tiến hơn. Trước đây, người ta luôn cho rằng các lò phản ứng nhiệt hạch phải được xây dựng với kích thước cực lớn, nhưng giờ đây, với loại thép siêu bền này, chúng ta có thể khám phá một con đường mới theo hướng "nhỏ gọn và đẹp mắt": sử dụng từ trường mạnh hơn để đạt được phản ứng nhiệt hạch trong không gian nhỏ hơn.

Điều này có nghĩa là các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai có thể được xây dựng nhanh hơn và với chi phí thấp hơn, đồng thời quá trình thương mại hóa của chúng có thể được đẩy nhanh đáng kể.

Không dừng lại ở đó, CHSN01có phạm vi ứng dụng rất rộng. Ví dụ, trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, các tên lửa lớn trong tương lai sẽ sử dụng hydro lỏng làm nhiên liệu, vì vậy bình chứa nhiên liệu phải chịu được nhiệt độ thấp -253 độ C, đồng thời phải nhẹ và chắc chắn. CHSN01 chính là sự lựa chọn hoàn hảo.

Trong ngành công nghiệp năng lượng hydro, việc lưu trữ và vận chuyển hydro lỏng một cách an toàn luôn là một thách thức, và loại thép siêu bền này có thể rất hữu ích trong việc này.

Ngay cả trong lĩnh vực y tế, các thiết bị MRI tiên tiến hơn cũng cần vật liệu này để chế tạo các linh kiện cốt lõi.