"Vật liệu không thể tồn tại trên đời" vậy mà Trung Quốc vẫn cho ra đời: Một lần nữa thế giới lại kinh ngạc

Trong cuộc chinh phục năng lượng từ các vì sao, một trong những thách thức lớn nhất không nằm ở việc làm chủ phản ứng nhiệt hạch, mà là tìm ra loại vật liệu đủ bền chắc để chứa nó.

Nằm ở trung tâm của một lò phản ứng nhiệt hạch là một nam châm siêu dẫn cực mạnh, hoạt động ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối và chịu áp lực từ trường khổng lồ. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học trên khắp thế giới đã phải vật lộn để tìm ra loại vật liệu có thể chịu đựng đồng thời cả môi trường cực lạnh và áp lực cực lớn như vậy.

Mới đây, các nhà khoa học Trung Quốc đã công bố chi tiết về quá trình tạo ra CHSN01 (viết tắt của China high-strength low-temperature steel No 1 - thép nhiệt độ thấp, cường độ cao số 1 của Trung Quốc). Loại vật liệu này đã được triển khai trong năm nay để xây dựng lò phản ứng phát điện nhiệt hạch đầu tiên trên thế giới, đưa Trung Quốc lên vị trí dẫn đầu trong lĩnh vực khoa học vật liệu.

Đây là thành quả của một hành trình kéo dài một thập kỷ với không ít thất bại, hoài nghi và cuối cùng là chiến thắng.

Thách thức từ dự án quốc tế

Năm 2011, Lò phản ứng Thí nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế (ITER), đang được xây dựng ở miền nam nước Pháp, đối mặt với một thách thức nghiêm trọng về vật liệu. Các cuộc thử nghiệm cho thấy loại thép siêu bền lạnh được chuẩn bị đã trở nên giòn và mất đi độ dẻo.

ITER, thí nghiệm nhiệt hạch lớn nhất thế giới, được khởi động vào năm 2006 với sự hợp tác của bảy thành viên, trong đó có Trung Quốc.

Tại lõi của thiết bị nhiệt hạch, các nam châm siêu dẫn được bao bọc bởi một lớp vỏ bằng thép siêu bền lạnh, hoạt động như một "chiếc áo khoác" được thiết kế để chịu được nhiệt độ cực thấp. Vật liệu này phải chịu được cả môi trường đông lạnh của heli lỏng ở −269 độ C và cả lực Lorentz khổng lồ sinh ra từ các từ trường cường độ cao.

Các nhóm nghiên cứu của ITER trên toàn cầu đã tìm hiểu nguyên nhân và tinh chỉnh lại quy trình sản xuất. Năm 2011, nhóm nghiên cứu của Trung Quốc đã phát triển được giải pháp khả thi đầu tiên, nhưng ông Li Laifeng, nhà nghiên cứu tại Viện Kỹ thuật Vật lý và Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) ở Bắc Kinh, vẫn còn nhiều trăn trở.

Trong một bài viết trên tờ China Science Daily , ông Li viết: "Dù thiết kế từ trường tối đa 11,8 Tesla của ITER là đủ cho chính nó, các nam châm có từ trường cao hơn trong tương lai sẽ đòi hỏi những vật liệu tiên tiến hơn". Ông nói thêm rằng ITER không thể phát điện, nhưng lò phản ứng của riêng Trung Quốc thì có thể.

Hành trình một thập kỷ

Thách thức từ năm 2011 đã thúc đẩy Trung Quốc dành hơn một thập kỷ để phát triển loại thép siêu bền lạnh độc quyền. Nhóm của ông Li ban đầu thử nghiệm với thép không gỉ N50 được gia cố bằng nitơ, giúp cải thiện giới hạn chảy nhưng lại thất bại trong việc tăng cường độ dai ở nhiệt độ cực thấp.

Năm 2017, ông Li đến Mỹ tham dự Hội nghị Vật liệu Siêu bền lạnh Quốc tế và giới thiệu loại vật liệu mới của mình.

Tuy nhiên, theo báo cáo của Science Daily , các chuyên gia nước ngoài đã tỏ ra hoài nghi. Họ tin rằng con đường công nghệ hiện tại là "hoàn toàn bất khả thi" để tạo ra một loại thép siêu bền lạnh tốt hơn. Họ cho rằng lớp vỏ bọc dây dẫn hiện có của ITER, vốn sử dụng thép không gỉ Austenit 316LN – một hợp kim chuyên dụng cho các điều kiện khắc nghiệt – đã là đủ tốt.

Cùng năm 2017, trong các thử nghiệm tiếp theo, nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã kết hợp thêm vanadi đồng thời kiểm soát tỷ lệ carbon/nitơ, qua đó đạt được sự cân bằng tốt hơn giữa độ bền và độ dai. Dù vậy, loại thép mới vẫn chưa đạt được hiệu suất như yêu cầu.

Quá trình nghiên cứu bị đình trệ cho đến năm 2020, khi nhà vật lý học Zhao Zhongxian tham gia vào các cuộc họp của nhóm.

Ông Zhao là viện sĩ của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và là chuyên gia hàng đầu thế giới về vật lý nhiệt độ thấp. Ông đã giành giải thưởng khoa học quốc gia cao nhất của Trung Quốc vào năm 2017 cho công trình nghiên cứu về vật liệu siêu dẫn.

Từ lâu, ông đã nhấn mạnh vai trò quan trọng của vật liệu trong các ứng dụng công nghệ siêu dẫn trên nhiều lĩnh vực và đã chủ động đề nghị tham gia các cuộc họp của nhóm ông Li.

Báo cáo của Science Daily dẫn lời ông nói với các nhà nghiên cứu: “Đừng mù quáng tin vào các chuyên gia nước ngoài. Vấn đề này rất đáng để theo đuổi.”

Năm 2021, Viện Vật lý Plasma (CAS) tại tỉnh Hợp Phì đã thiết lập các thông số kỹ thuật cốt lõi cho chương trình nhiệt hạch của Trung Quốc: giới hạn chảy đạt 1.500 megapascal (MPa) và độ giãn dài trên 25% ở nhiệt độ cực thấp.

Vào thời điểm đó, chuyên gia về giam hãm từ trường trong phản ứng nhiệt hạch, ông Li Jiangang, nhận định: "Phát triển thế hệ thép siêu bền lạnh tiếp theo không phải là một lựa chọn, mà là điều kiện tiên quyết cho sự thành công của các thiết bị thử nghiệm năng lượng nhiệt hạch nhỏ gọn của Trung Quốc".

Cuối năm 2021, Liên minh Nghiên cứu Thép cường độ cao được thành lập, quy tụ bốn viện nghiên cứu, 13 doanh nghiệp và bốn chuyên gia về hàn dưới sự lãnh đạo của ông Li Laifeng. Liên minh này đã chia sẻ các tiến bộ công nghệ với ngành công nghiệp và đặt mục tiêu phát triển một loại thép siêu bền lạnh nội địa mới.

Các diễn đàn kỹ thuật được tổ chức hai tuần một lần cùng mô hình phát triển "đua ngựa" – trong đó các mẫu thử ẩn danh được đánh giá độc lập tại Viện Vật lý và Hóa học – đã giúp đẩy nhanh tiến độ.

Thành quả và ứng dụng

Tháng 8 năm 2023, các chuyên gia xác nhận rằng loại thép CHSN01 mới đã đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra. Vật liệu này có thể chịu được từ trường lên tới 20 Tesla và áp suất 1.300 MPa, đồng thời cho thấy khả năng chống mỏi vượt trội so với các hợp kim truyền thống.

Kể từ đó, nó đã được triển khai trong một dự án lò phản ứng nhiệt hạch của Trung Quốc. Các tác giả đã viết về quá trình 12 năm phát triển vật liệu này trong một bài báo đăng trên tạp chí Applied Sciences vào tháng 5 vừa qua.

Vào ngày 1 tháng 5, dự án Best (Burning Plasma Experimental Superconducting Tokamak) của Trung Quốc đã bước vào giai đoạn lắp ráp, dự kiến hoàn thành vào năm 2027. Trong số hơn 6.000 tấn linh kiện được lắp ráp tại chỗ, các đoạn thẳng của lớp vỏ bọc dây dẫn siêu dẫn chiếm 500 tấn. Tất cả các bộ phận cốt lõi này đều được làm từ thép CHSN01 sản xuất trong nước.

Trung Quốc đang tìm cách tận dụng thành quả phát triển thép siêu bền lạnh này cho các lĩnh vực khác ngoài lò phản ứng.

“Ngoài các ứng dụng trong công nghệ siêu dẫn, loại thép này còn có thể được sử dụng trong các lĩnh vực liên quan khác,” ông Zhao cho biết.