Thử nghiệm vật liệu bảo vệ bên trong lò phản ứng
Theo thông tin được Rosatom công bố ngày 15/10/2026, Viện Nghiên cứu Thiết bị Điện vật lý Efremov (NIIEFA) đã hoàn thành một giai đoạn thử nghiệm đánh giá công nghệ sử dụng vonfram làm lớp vật liệu bảo vệ cho các tấm thành đầu tiên của lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế ITER.
ITER là dự án nghiên cứu nhiệt hạch quốc tế đang được xây dựng tại miền Nam nước Pháp, với sự tham gia của Liên minh châu Âu, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga và Mỹ. Dự án hướng tới chứng minh khả năng tạo ra năng lượng nhiệt hạch ở quy mô lớn, qua đó cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ cho việc phát triển các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai.
Một trong những thách thức kỹ thuật lớn nhất của ITER là chế tạo những bộ phận phải tiếp xúc với plasma có nhiệt độ cực cao. Những cấu kiện này cần chịu được tải nhiệt lớn, duy trì khả năng truyền nhiệt và bảo vệ các bộ phận quan trọng nằm phía sau.
225 tấm thành chịu nhiệt cao có vai trò gì?
Trong thiết kế ITER, hệ thống tấm chắn bao phủ phần lớn mặt trong của buồng chân không, giúp bảo vệ kết cấu thép và các nam châm siêu dẫn khỏi nhiệt cùng neutron năng lượng cao sinh ra trong phản ứng nhiệt hạch.
Mỗi mô-đun tấm chắn gồm hai bộ phận chính: khối chắn neutron ở phía sau và một tấm thành đầu tiên có thể tháo rời ở phía trước, hướng trực tiếp về phía plasma. Tấm thành này tiếp nhận tải nhiệt từ plasma và truyền nhiệt ra hệ thống làm mát, đồng thời bảo vệ các kết cấu phía sau.
Theo tài liệu kỹ thuật của ITER, dự án cần tổng cộng 440 tấm thành đầu tiên. Trong đó, Nga và Trung Quốc cùng đảm nhiệm cung ứng 225 tấm thuộc nhóm chịu dòng nhiệt cao, được thiết kế cho mật độ dòng nhiệt 4,7 MW/m2. Châu Âu phụ trách 215 tấm thuộc nhóm chịu dòng nhiệt thông thường, với mức thiết kế lên tới 2 MW/m2.
Vonfram là kim loại có nhiệt độ nóng chảy khoảng 3.422 độ C, cao hơn đáng kể so với mức khoảng 1.287 độ C của berili. Vật liệu này cũng có khả năng chống xói mòn tốt trong nhiều điều kiện tương tác với plasma, khiến nó trở thành lựa chọn đáng chú ý cho các bề mặt phải chịu tải nhiệt lớn trong những thiết bị nhiệt hạch.
Theo tổ chức ITER, quyết định thay berili bằng vonfram còn xuất phát từ những lo ngại về bụi vật liệu phát sinh do xói mòn, độc tính của berili và nguy cơ hư hỏng các tấm thành trong một số tình huống plasma bất thường. Sử dụng vonfram ngay từ đầu cũng giúp dự án giảm nhu cầu thay thế toàn bộ lớp vật liệu bảo vệ như phương án thiết kế trước đây.
Vượt qua 10.000 xung nhiệt, hướng tới sản xuất hàng loạt
Trong thử nghiệm vừa hoàn thành, các mẫu vonfram được kiểm tra trên bệ thử nhiệt chuyên dụng tại Viện Efremov. Việc chịu được 10.000 xung nhiệt ở mật độ dòng nhiệt 3 MW/m² là kết quả quan trọng, bởi các cấu kiện này phải làm việc trong điều kiện nhiệt thay đổi theo chu kỳ, có thể gây ứng suất và ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu cũng như các mối ghép.
Dù vậy, cần phân biệt kết quả thử nghiệm mẫu với yêu cầu thiết kế của cấu kiện hoàn chỉnh. Mức 3 MW/m² trong thử nghiệm lần này thấp hơn mức thiết kế 4,7 MW/m² của nhóm tấm thành chịu dòng nhiệt cao. Do đó, kết quả hiện tại chưa có nghĩa toàn bộ tấm thành đã hoàn tất quá trình đánh giá và đủ điều kiện đưa vào lò phản ứng.
Theo Rosatom, hoạt động nghiên cứu và phát triển để hoàn thiện công nghệ vonfram sẽ tiếp tục đến năm 2028. Sau giai đoạn này, việc sản xuất hàng loạt lớp vật liệu bảo vệ cho các tấm thành đầu tiên của ITER dự kiến được triển khai đầy đủ.
Đây là bước chuẩn bị quan trọng đối với một trong những cấu kiện kỹ thuật phức tạp của dự án. Các tấm thành phải đáp ứng đồng thời yêu cầu về khả năng chịu nhiệt, độ bền cơ học, độ tin cậy của mối ghép và hiệu quả truyền nhiệt, nhằm bảo vệ các bộ phận bên trong thiết bị.
ITER có thể mở đường cho điện nhiệt hạch trong tương lai
Nhiệt hạch là quá trình các hạt nhân nguyên tử nhẹ kết hợp thành hạt nhân nặng hơn, giải phóng năng lượng. Đây là cơ chế tạo ra năng lượng của Mặt Trời và các ngôi sao. Trên Trái Đất, việc tái tạo quá trình này đòi hỏi phải tạo ra và duy trì plasma ở nhiệt độ rất cao, đồng thời kiểm soát plasma bằng những hệ thống kỹ thuật phức tạp.
ITER được thiết kế để nghiên cứu khả năng duy trì phản ứng nhiệt hạch trong điều kiện có thể tạo ra lượng năng lượng lớn. Theo mục tiêu thiết kế, lò phản ứng hướng tới tạo ra 500 MW công suất nhiệt hạch từ 50 MW công suất gia nhiệt đưa vào plasma trong các điều kiện vận hành mục tiêu.
Tuy nhiên, ITER là cơ sở nghiên cứu và trình diễn công nghệ, không phải nhà máy điện thương mại. Dự án không trực tiếp cung cấp điện cho lưới điện, mà tập trung kiểm chứng các nguyên lý vật lý và giải pháp kỹ thuật cần thiết cho những hệ thống nhiệt hạch trong tương lai.
Việc hoàn thiện vật liệu bảo vệ thành lò là một phần trong quá trình giải quyết những thách thức đó. Kết quả thử nghiệm vonfram của Nga cho thấy công nghệ chế tạo đang tiếp tục được đánh giá, nhưng vẫn cần thêm các bước kiểm định trước khi những cấu kiện này có thể được sản xuất hàng loạt và tích hợp vào hệ thống ITER.
Theo Pervy Tekhnichesky
Thùy Anh
