Thép siêu bền CHSN01 của Trung Quốc có thể chịu được từ trường 20 Tesla và 60.000 chu kỳ hoạt động trong lò phản ứng nhiệt hạch thế hệ mới.
Cập nhật: Ngày 06 tháng 08 năm 2025
Trong nhiều thập kỷ, các dự án nhiệt hạch như Lò phản ứng Thí nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế (ITER) đều sử dụng thép không gỉ chịu nhiệt độ cực thấp 316LN hoặc JK2LB. Những hợp kim này hoạt động tốt ở nhiệt độ helium lỏng, nhưng giới hạn chịu lực chỉ đạt khoảng 0.9–1.1 gigapascal (GPa) ở 4.2K và dần mất tính dẻo sau nhiều chu kỳ hoạt động. Những hạn chế này buộc ITER phải thiết kế các cỗ máy cồng kềnh và đắt đỏ với từ trường tối đa chỉ 11.8 tesla.
Mục lục
Bước Đột Phá Từ Trung Quốc
Quyết tâm xây dựng các tokamak nhỏ gọn hơn để sản xuất năng lượng, các nhà khoa học Trung Quốc nhận ra họ cần một lớp vỏ vật liệu có thể chịu được áp lực cực lớn mà không bị nứt vỡ. Điều này dẫn đến hành trình 12 năm nghiên cứu vật liệu mà nhiều chuyên gia quốc tế từng cho là “bất khả thi”.
Kết quả là CHSN01 (China High-Strength, Low-Temperature Steel No. 1) – một loại thép siêu bền được chứng minh có thể chịu được từ trường 20 tesla và ứng suất điện từ tổng hợp lên tới 1.3 GPa, đồng thời vẫn duy trì độ giãn dài khoảng 30% trước khi đứt gãy. Quan trọng hơn, nó giữ được các đặc tính này sau 60.000 chu kỳ bật-tắt, tương đương tuổi thọ hoạt động của Lò tokamak siêu dẫn thực nghiệm Plasma Nóng (BEST) của Trung Quốc.
Công Thức Bí Mật Đằng Sau CHSN01
Sức hấp dẫn của hợp kim này nằm ở cách các thành phần được điều chỉnh tinh vi để biến một loại thép không gỉ thông thường thành vật liệu có tính chất gần như đàn hồi ở nhiệt độ helium lỏng. Các kỹ sư bắt đầu với Nitronic-50, một loại thép austenit được tăng cường bằng nitơ, và giảm lượng carbon xuống dưới 0.01%.
Mức carbon cực thấp này ngăn chặn sự hình thành các cacbua giòn trong quá trình hoạt động kéo dài ở nhiệt độ 4K. Tiếp theo, họ tăng hàm lượng nitơ lên khoảng 0.30% – cao đối với thép không gỉ – đồng thời tăng nhẹ lượng niken. Nitơ và niken cùng nhau giúp duy trì cấu trúc austenit dẻo dai ngay cả khi nhiệt độ giảm xuống -269°C.
Một lượng nhỏ vanadi được thêm vào sau khi cân bằng carbon-nitơ, tạo ra các hạt vanadi-nitride chỉ vài nanomet. Những hạt này giúp tăng cường độ bền mà không làm giảm độ dai. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu áp dụng giới hạn sạch cấp độ xưởng đúc đối với oxy, phốt pho và lưu huỳnh (tất cả dưới 0.02%) để ngăn các tạp chất trở thành điểm khởi phát vết nứt dưới tải trọng từ trường.
Lợi Thế Của Vật Liệu Siêu Bền
Nam châm siêu dẫn là trái tim của lò tokamak. Khi dòng điện tăng lên, lực Lorentz tác động lên dây dẫn xoắn ốc. Các kỹ sư có thể chống lại những lực này bằng cách tăng kích thước (như ITER) hoặc bọc cáp trong lớp vỏ đủ bền để không bị biến dạng. Với CHSN01, Trung Quốc đã chọn cách tiếp cận thứ hai.
Các mô hình phần tử hữu hạn và phát triển vết nứt cho thấy lớp vỏ có thể bắt đầu với các khuyết tật lên tới 6 mm² – lớn hơn nhiều so với giới hạn phát hiện 0.5 mm² của phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) – và vẫn hoạt động ổn định qua 60.000 chu kỳ của BEST. Trên thực tế, điều này có nghĩa là nhà sản xuất không cần phải đánh bóng quá mức hoặc tăng kích thước dây dẫn, giúp giảm trọng lượng, chi phí và thời gian lắp ráp.
Mở Ra Kỷ Nguyên Lò Phản Ứng Nhỏ Gọn
Lớp vỏ bền hơn cũng mở đường cho từ trường cao hơn. Từ 11.8 T của ITER lên 20 T giúp tăng gấp bốn lần áp suất giữ plasma, cho phép thiết kế lò phản ứng chỉ bằng một phần ba thể tích nhưng đạt được hệ số khuếch đại năng lượng nhiệt hạch (Q) lớn hơn một. Các lò phản ứng nhỏ hơn sẽ dễ che chắn hơn, rẻ hơn để xây dựng và có thể được lắp đặt theo cụm như các đơn vị phân hạch mô-đun.
Khả Năng Chống Mỏi Vượt Trội
Độ bền cao thôi là chưa đủ vì nam châm nhiệt hạch hoạt động theo chu kỳ trong nhiều năm. Để chứng minh độ bền của CHSN01, các nhà nghiên cứu đã đo tốc độ phát triển vết nứt do mỏi ở 4.2K và sử dụng mô hình định luật Paris để dự đoán tuổi thọ dưới tải trọng thực tế.
Với độ tin cậy 99%, lớp vỏ có thể bắt đầu với khuyết tật ban đầu 1 mm² và vẫn hoạt động hết tuổi thọ mà không đạt đến chiều dài vết nứt tới hạn. Những con số này cung cấp ngưỡng kiểm tra rõ ràng cho các phương pháp đánh giá không phá hủy – điều mà các hợp kim trước đây không thể làm được.
Từ Phòng Thí Nghiệm Ra Công Nghiệp
Vì CHSN01 dựa trên quy trình sản xuất Nitronic hiện có, các nhà máy Trung Quốc đã nhanh chóng mở rộng quy mô. Đến giữa năm 2025, 500 tấn vỏ dây dẫn đã được giao đến công trường xây dựng BEST tại Hợp Phì. Theo SCMP, nhà vật lý dự án Lý Lai Phong tin rằng khối lượng này chứng tỏ hợp kim đã “sẵn sàng cho công nghiệp, không chỉ phòng thí nghiệm”.
Ứng Dụng Vượt Xa Nhiệt Hạch
Triệu Trung Tiên, nhà tiên phong về nhiệt độ cực thấp, người đã thúc đẩy nhóm nghiên cứu vào năm 2020, cho rằng tác động của CHSN01 sẽ vượt xa các lò tokamak. Máy quét MRI, máy gia tốc hạt, tàu đệm từ và cả tủ làm lạnh pha loãng cho máy tính lượng tử đều phụ thuộc vào các cấu trúc đối mặt với thách thức tương tự về nhiệt độ thấp và ứng suất cao. Việc sử dụng loại thép vừa bền vừa dẻo này có thể thu nhỏ kích thước nam châm hoặc kéo dài chu kỳ bảo trì trên nhiều lĩnh vực.
Bước Tiến Thầm Lặng Nhưng Đột Phá
Thành tựu nhiệt hạch thường được biết đến với các kỷ lục plasma hay khái niệm lò phản ứng kỳ lạ. Nhưng lịch sử cho thấy các công nghệ năng lượng lớn thành hay bại đều phụ thuộc vào khoa học vật liệu. Bằng cách đưa thép không gỉ chịu nhiệt độ cực thấp vào nhóm 1.5 GPa mà không hy sinh độ dai, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã cung cấp “viên đá góc” cơ học mà nam châm từ trường cao còn thiếu.
Cho dù BEST có đạt được mục tiêu công suất 40–200 MW vào cuối thập kỷ này hay không, mọi nhóm nghiên cứu nhiệt hạch giờ đây đều có một tiêu chuẩn để so sánh. Và nếu vỏ dây dẫn của bạn không đạt được các thông số kỹ thuật của CHSN01, có lẽ đã đến lúc gọi các nhà luyện kim trở lại lò nung.
