Siêu thép đột phá của Nga: chịu nhiệt 600°C, vượt mặt mọi loại thép phổ biến đang dùng, chìa khóa cho điện hạt nhân thế hệ mới

Các nhà khoa học Nga vừa phát triển thành công loại thép austenitic chịu nhiệt mới, được thiết kế đặc biệt cho thiết bị sử dụng trong lò phản ứng neutron nhanh làm mát bằng chì. Trong các hệ thống lò phản ứng này, nhiệt độ hoạt động đạt từ 500°C đến 600°C - cao gấp gần đôi so với lò phản ứng VVER tiêu chuẩn thường hoạt động ở nhiệt độ từ 320°C đến 350°C.

Sự phát triển của loại thép này được thực hiện trong khuôn khổ dự án "Proryv" (Đột phá), tập trung vào việc triển khai chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín sử dụng lò phản ứng neutron nhanh. Loại thép mới cung cấp khả năng chống ăn mòn và ổn định nhiệt ở nhiệt độ lên tới 600°C, vượt trội so với các loại thép thông thường đang được sử dụng.

Theo ông Sergei Logashov, Giám đốc Viện Khoa học Vật liệu tại CNIITMASH (Viện Nghiên cứu Trung ương về Công nghệ Cơ khí), vật liệu này được thiết kế bằng cách sử dụng mô hình máy tính và dữ liệu từ các hệ thống chất làm mát kim loại lỏng nặng.

"Vật liệu thu được kết hợp khả năng chống bức xạ và ăn mòn cần thiết, ổn định nhiệt ở nhiệt độ lên tới 600 độ C, và quan trọng nhất là vượt qua các đặc tính độ bền dài hạn của thép tham chiếu EP302 hiện đang được sử dụng cho các cấu trúc nhà máy điện hạt nhân hoạt động tiếp xúc với chất làm mát kim loại lỏng nặng," ông Logashov cho biết trong thông cáo báo chí.

Sự phát triển này dựa trên nhiều năm kinh nghiệm tạo ra vật liệu cho các hệ thống chất làm mát kim loại lỏng nặng. Loại thép mới không chỉ đáp ứng yêu cầu về khả năng chịu bức xạ và chống ăn mòn cần thiết cho mạch sơ cấp của lò phản ứng BR-1200, mà còn duy trì độ ổn định nhiệt ở mức nhiệt độ cực cao.

Ngoài việc phát triển vật liệu, CNIITMASH còn thử nghiệm công nghệ hàn laser cho cả thép austenitic và thép martensitic-ferritic. Các thử nghiệm này liên quan đến cả các kết hợp kim loại đồng nhất và khác nhau cần thiết cho sản xuất thiết bị quan trọng.

Dữ liệu cho thấy hàn laser tăng tốc độ sản xuất các cấu trúc hàn khi so sánh với các phương pháp hàn hồ quang truyền thống, trong khi chất lượng mối hàn vẫn đáp ứng các yêu cầu của ngành.

Điều quan trọng là công nghệ hàn này tương thích với các thiết kế lò phản ứng hiện có, bao gồm cả các đơn vị VVER và RITM. Điều này có nghĩa là những tiến bộ công nghệ mới không chỉ phục vụ cho lò phản ứng thế hệ mới mà còn có thể được áp dụng để cải thiện hiệu suất của các lò phản ứng đang hoạt động.

Mở đường cho nhà máy điện hạt nhân thế hệ mới

Dự án "Proryv" do Công ty Cổ phần "Proryv" quản lý và có sự tham gia của nhiều viện nghiên cứu trong ngành. Mục tiêu chính là triển khai công nghiệp chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín. Khu phức hợp điện hạt nhân được lên kế hoạch sẽ bao gồm một đơn vị điện có lò phản ứng BREST-OD-300 làm mát bằng chì.

Lò phản ứng BR-1200 công suất 1200 MWe (2800 MWt) là lò phản ứng nhanh làm mát bằng chì đang được phát triển - nguyên mẫu của nó là BREST-OD-300 đang được xây dựng tại Seversk. Một nhà máy điện hạt nhân BR-1200 hai đơn vị được lên kế hoạch cho Seversk, với các đơn vị dự kiến đi vào hoạt động vào năm 2036 và 2038.

Cơ sở này cũng sẽ có một mô-đun để tái chế nhiên liệu hỗn hợp uranium-plutonium (nitrit) đã được chiếu xạ và một mô-đun chế tạo/tái chế để sản xuất các phần tử nhiên liệu mới từ vật liệu tái chế. Cơ sở này nhằm chứng minh tính khả thi kỹ thuật của các thiết bị đóng chu trình nhiên liệu hạt nhân.

Song song với việc phát triển thép austenitic, các kỹ sư trong bộ phận chế tạo máy của Rosatom đã sản xuất các bộ phận cấu trúc cho lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao (HTGR) bằng vật liệu composite carbon-carbon. Các composite này đã được thử nghiệm để xác minh độ ổn định vật lý ở 1300°C và khả năng giữ tính chất cơ học ở nhiệt độ lên tới 1600°C.

"Sự kết hợp của những phát triển này - vật liệu công nghệ cao mới và công nghệ hàn - có thể tạo ra nền tảng khoa học và kỹ thuật vững chắc cho việc triển khai thành công dự án năng lượng hạt nhân thế hệ thứ tư," thông cáo báo chí kết luận.

Những tiến bộ này giải quyết các thách thức nhiệt và ăn mòn cụ thể do chất làm mát chì và heli gây ra trong các thiết kế lò phản ứng thế hệ mới. Việc thử nghiệm thành công các loại thép austenitic và composite carbon-carbon này cho thấy bước tiến hướng tới các chu trình sản xuất năng lượng hiệu quả cao hơn, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong ngành công nghiệp điện hạt nhân toàn cầu.