Gửi bình luận
Các kỹ sư cho rằng Trung Quốc có thể vượt Mỹ trong cuộc đua lên Mặt trăng nhờ một số khác biệt cấu trúc trong lò phản ứng hạt nhân của mình.
Các kỹ sư hạt nhân Trung Quốc đã phát hiện một vấn đề nghiêm trọng về hiệu suất trong thiết kế lò phản ứng hạt nhân trên Mặt trăng của NASA (Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ). Tuy nhiên, họ khẳng định rằng chỉ với một số điều chỉnh nhỏ về cấu trúc thì có thể giảm tiêu thụ nhiên liệu xuống 75%, trong khi vẫn tăng công suất đầu ra và tuổi thọ.
Nghiên cứu do Triệu Thọ Chí (Zhao Shouzhi), trưởng nhóm thiết kế lò phản ứng tại Tập đoàn Hạt nhân Quốc gia Trung Quốc, dẫn đầu đã được tích hợp vào chương trình lò phản ứng cho căn cứ Mặt trăng của nước này. Đây có thể là một lợi thế giúp Trung Quốc dẫn đầu trong cuộc đua lên Mặt trăng.
Tập đoàn Hạt nhân Quốc gia Trung Quốc là doanh nghiệp nhà nước hoạt động trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân. Nó chịu trách nhiệm về nghiên cứu, phát triển, thiết kế, xây dựng và vận hành các nhà máy điện hạt nhân, cũng như sản xuất nhiên liệu hạt nhân và các ứng dụng hạt nhân khác. Đây là một trong những tập đoàn hạt nhân lớn nhất Trung Quốc, đóng vai trò quan trọng trong chương trình năng lượng hạt nhân và không gian của nước này.
Theo bài báo khoa học được nhóm nghiên cứu công bố trên tạp chí Atomic Energy Science and Technology, lò phản ứng hạt nhân trên Mặt trăng của Trung Quốc có thể tạo ra 40 kilowatt điện trong hơn một thập kỷ.
Thiết kế này sử dụng các thanh nhiên liệu hình vòng và bộ điều tiết neutron từ hydrua yttrium để khắc phục các hạn chế của các thiết kế truyền thống.
1. Neutron là một loại hạt hạ nguyên tử không mang điện tích, có mặt trong hầu hết nguyên tử.
Đặc điểm của neutron
Không mang điện tích: Không bị ảnh hưởng bởi lực điện từ, giúp nó dễ dàng xuyên qua vật chất hơn so với proton hoặc electron.
Khối lượng xấp xỉ proton (1.675 × 10⁻²⁷kg).
Có trong hạt nhân nguyên tử, ngoại trừ nguyên tử hydro thông thường, chỉ có một proton mà không có neutron.
2. Yttrium hydride (YH₃) là một hợp chất bao gồm yttrium (Y) và hydro (H), thường được sử dụng làm chất điều hòa neutron trong các lò phản ứng hạt nhân.
Đặc điểm và ứng dụng của yttrium hydride
Ổn định ở nhiệt độ cao: Khác với zirconium hydride (ZrH₂), yttrium hydride ít bị rò rỉ hydro ở môi trường nhiệt độ cao, giúp tăng độ an toàn cho lò phản ứng.
Hiệu quả trong điều hòa neutron: Giúp làm chậm neutron nhanh thành neutron nhiệt để duy trì phản ứng dây chuyền ổn định, giảm nhu cầu về nhiên liệu hạt nhân.
Ứng dụng trong các lò phản ứng tiên tiến: Được nghiên cứu để sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân không gian, như lò phản ứng trên Mặt trăng hoặc sao Hỏa của Trung Quốc và NASA.
Nhờ những đặc tính trên, yttrium hydride đang trở thành một lựa chọn quan trọng trong thiết kế lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới, đặc biệt là các lò phản ứng nhỏ gọn dùng cho tàu vũ trụ và căn cứ Mặt trăng.
Thanh nhiên liệu hai mặt dạng vòng, có thể được sản xuất dễ dàng bởi các công ty hạt nhân lớn như Westinghouse (Mỹ), bao bọc các viên uranium dioxide bằng lớp thép không gỉ, cho phép điều tiết neutron và tản nhiệt đồng thời ở cả hai mặt trong lẫn ngoài, theo Triệu Thọ Chí và các đồng nghiệp của ông.
Uranium dioxide (UO₂) là một hợp chất của uranium và oxy, thường được sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân trong lò phản ứng hạt nhân.
Bộ điều tiết neutron từ hydrua yttrium giúp ổn định lò phản ứng ở nhiệt độ cao và giảm thiểu nguy cơ rò rỉ hydro - một vấn đề từng làm mất ổn định các hệ thống hydrua zirconium trước đây.
Hydrua zirconium (ZrH₂) là hợp chất của zirconium (Zr) và hydro (H₂), thuộc nhóm hydrua kim loại.
Ứng dụng của hydrua zirconium
1. Dùng làm bộ điều tiết neutron trong lò phản ứng hạt nhân
ZrH₂ có khả năng hấp thụ và điều chỉnh tốc độ của neutron trong các lò phản ứng hạt nhân.
Giúp kiểm soát quá trình phân hạch của uranium hoặc plutonium, làm tăng hiệu suất của lò phản ứng.
Được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân trên tàu ngầm và tàu sân bay chạy bằng năng lượng hạt nhân.
2. Dùng trong ngành hàng không vũ trụ và vũ khí hạt nhân
Được sử dụng trong một số thiết bị hạt nhân quân sự do khả năng điều chỉnh neutron.
3. Làm chất lưu trữ hydro
ZrH₂ có thể lưu trữ hydro ở dạng ổn định, giúp ứng dụng trong pin nhiên liệu hydro hoặc công nghệ lưu trữ năng lượng sạch.
4. Ứng dụng trong hợp kim chịu nhiệt cao
Hydrua zirconium có thể cải thiện tính chất cơ học và chịu nhiệt của một số hợp kim đặc biệt trong công nghiệp.
Nhược điểm của ZrH₂
- Dễ phân hủy ở nhiệt độ cao, có thể giải phóng khí hydro, gây nguy cơ cháy nổ.
- Dễ bị oxy hóa, cần được bảo quản trong môi trường không có oxy hoặc độ ẩm thấp.
Bộ điều tiết neutron từ hydrua yttrium giúp ổn định lò phản ứng ở nhiệt độ cao và giảm thiểu nguy cơ rò rỉ hydro — một vấn đề từng làm mất ổn định các hệ thống hydrua zirconium trước đây.
Điều này giúp lò phản ứng Trung Quốc chỉ cần một lớp mỏng chất phản xạ neutron từ beryllium để giữ lại các neutron thoát ra, cải thiện hiệu suất đáng kể.
Beryllium (Be) là nguyên tố hóa học thuộc nhóm kim loại kiềm thổ (nhóm II) trong bảng tuần hoàn. Nó có số nguyên tử 4 và là một trong những kim loại nhẹ nhất nhưng rất cứng.
Hai kênh làm mát riêng biệt giúp dòng kim loại lỏng NaK-78 chảy qua các khe hở nhiên liệu bên trong và bên ngoài, giữ nhiệt độ lõi lò dưới 600°C, trong khi ba thanh an toàn bằng carbide boron và tám trống điều khiển quay cung cấp cơ chế dừng hoạt động dự phòng.
1. NaK-78 là hợp kim kim loại lỏng bao gồm natri (Na) và kali (K) với tỷ lệ 78% kali và 22% natri theo khối lượng. Đây là một hợp chất có tính dẫn nhiệt rất cao, thường được sử dụng làm chất làm mát trong lò phản ứng hạt nhân và các hệ thống làm mát nhiệt độ cao.
2. Carbide boron (B₄C) là một hợp chất cực kỳ cứng của boron (Bo) và carbon (C), thuộc nhóm carbide gốm.
Ứng dụng của boron carbide (B₄C)
Áo giáp chống đạn và bảo vệ quân sự
B₄C được dùng trong áo giáp chống đạn, giáp xe tăng và tấm chắn vũ khí do vừa nhẹ vừa cứng.
Khả năng chống va đập mạnh giúp bảo vệ tốt hơn so với thép hoặc gốm thông thường.
Vật liệu chịu mài mòn cao
Dùng làm vòi phun nước áp suất cao, lớp lót trong bơm, công cụ cắt gọt.
Được sử dụng trong ngành dầu khí, khai khoáng và sản xuất xi măng vì khả năng chống ăn mòn.
Điều tiết neutron trong lò phản ứng hạt nhân
B₄C có thể hấp thụ neutron tốt, được dùng trong thanh điều khiển neutron của lò phản ứng hạt nhân để kiểm soát phản ứng phân hạch.
Công nghiệp hàng không vũ trụ
Do khả năng chịu nhiệt cao và trọng lượng nhẹ, B₄C được sử dụng trong vật liệu cách nhiệt của tàu vũ trụ và lá chắn chịu nhiệt.
Ứng dụng trong y học
Được nghiên cứu trong liệu pháp bắt neutron bằng boron (BNCT) để điều trị ung thư.
Nhược điểm của boron carbide
Giòn: Dù rất cứng, B₄C có thể nứt vỡ khi chịu lực quá mạnh.
Chi phí cao: Việc tổng hợp và gia công vật liệu này đắt đỏ.
hó gia công: Vì quá cứng nên rất khó cắt gọt hoặc tạo hình.
Bằng cách chuyển đổi neutron nhanh thành neutron nhiệt thông qua hydrua yttrium, thiết kế của Trung Quốc có thể duy trì phản ứng dây chuyền với chỉ 18,5kg uranium-235, chỉ bằng 1/4 so với 70kg uranium cần thiết cho lò phản ứng nhanh FSP (Fission Surface Power) của NASA.
Uranium-235 là một đồng vị phóng xạ của uranium, có số khối 235. Đây là đồng vị duy nhất trong tự nhiên có khả năng phân hạch, nghĩa là nó có thể tạo ra phản ứng dây chuyền khi bị bắn phá bởi neutron.
Lò phản ứng nhanh FSP được phát triển dưới thời chính quyền Trump đầu tiên trong các sáng kiến Mặt trăng, dựa trên phổ neutron nhanh mà không có bộ điều tiết neutron.
Dù có thiết kế nhỏ gọn nhưng các thanh nhiên liệu uranium hình trụ của FSP đòi hỏi mức độ làm giàu cao và lớp chắn beryllium dày để kiểm soát dòng neutron mạnh, theo nhóm của Triệu Thọ Chí.
Họ thừa nhận rằng FSP là một thiết kế tốt và đã giúp ích cho sự phát triển của lò phản ứng Trung Quốc.
Tuy nhiên, lò phản ứng này có tuổi thọ tối đa 8 năm, bị giới hạn bởi sự giãn nở của nhiên liệu, và chỉ dựa vào trống điều khiển một chiều để điều chỉnh phản ứng, thiếu hệ thống ngừng hoạt động kép như thiết kế của Trung Quốc.
“Mục tiêu của chúng tôi là cạnh tranh với FSP”, nhóm nghiên cứu Trung Quốc viết.
Bước đột phá của Trung Quốc diễn ra trong bối cảnh NASA đang cắt giảm nhân sự do chính sách của Ban Hiệu suất Chính phủ (DOGE). Ban này gần đây đã đóng cửa Văn phòng Khoa học trưởng của NASA.
Chương trình Artemis của NASA cũng gặp khó khăn do bất ổn về ngân sách, với một số nhiệm vụ quan trọng như xe tự hành VIPER bị hủy bỏ.
Artemis là chương trình khám phá Mặt Trăng của NASA, với mục tiêu đưa con người trở lại Mặt Trăng và chuẩn bị cho các sứ mệnh lên sao Hỏa. Chương trình này được đặt theo tên nữ thần Artemis trong thần thoại Hy Lạp, chị em song sinh của Apollo.
Apollo là tên gọi của chương trình đưa con người lên Mặt trăng lần đầu tiên vào những năm 1960 - 1970.
Các nhà khoa học Trung Quốc cũng tiết lộ rằng thiết kế lò phản ứng Mặt trăng của họ đã tiếp thu một số ý tưởng quan trọng từ lò phản ứng TOPAZ-II do Liên Xô cũ phát triển trước đây.
