Sử dụng kết hợp mô hình trên cơ sở vật lý hạt nhân và mô phỏng nâng cao, nhóm nghiên cứu đã phát hiện được những yếu tố then chốt cơ bản gây ra những thiệt hại bức xạ cho các lò phản ứng hạt nhân, cung cấp nhận thức sâu sắc hơn về thiết kế những vật liệu chịu bức xạ và có hiệu suất cao hơn.
Xây dựng nhà máy điện hạt nhân
Theo Bộ Năng lượng, năng lượng hạt nhân vượt qua tất cả những nguồn tài nguyên thiên nhiên khác về năng lượng điện, chiếm 20% sản lượng điện của Mỹ. Nguồn năng lượng hạt nhân là các phản ứng phân hạch, trong đó một đồng vị của uranium phân tách thành các nguyên tố con sau khi bị các neutron chuyển động nhanh bắn phá. Những phản ứng này tạo ra nhiệt lượng rất lớn, vì vậy các bộ phận của lò phản ứng hạt nhân, đặc biệt là máy bơm và đường ống, được chế tạo bằng vật liệu có độ bền đặc biệt và có tính năng chống ăn mòn cao.
Tuy nhiên, phản ứng phân hạch cũng tạo ra bức xạ cường độ cao gây ra sự suy giảm cấu trúc vật liệu lò phản ứng hạt nhân. Ở cấp độ nguyên tử, khi bức xạ năng lượng xâm nhập vào các vật liệu này, có thể đánh bật các nguyên tử ra khỏi vị trí, gây ra các khuyết tật điểm hoặc buộc các nguyên tử chiếm các điểm trống, tạo thành các khuyết tật kẽ.
Cả hai điểm không hoàn hảo này phá vỡ sự sắp xếp đều đặn của những nguyên tử trong cấu trúc tinh thể kim loại. Sau đó, từ những khuyết tật nhỏ phát triển thành các khoảng trống và các vòng lặp trật khớp, ảnh hưởng trực tiếp đến những đặc tính cơ học của vật liệu theo thời gian.
Đã có một số nhân thức về những khuyết tật, xảy ra trong quá trình các vật liệu này tiếp xúc với bức xạ, rất khó để mô hình hóa hiện tượng bức xạ, cùng với những yếu tố khác như nhiệt độ của lò phản ứng và cấu trúc vi mô của vật liệu tác động hình thành và phát triển các khuyết tật.
TS Karim Ahmed cho biết, Thách thức lớn là chi phí tính toán. trước đây, các mô phỏng chỉ giới hạn ở các vật liệu cụ thể và cho các vùng trải dài vài micromet, nhưng nếu kích thước miền tính toán tăng lên chỉ đến 10 micromet, tải trọng tính toán lập tức tăng vọt”.
Các nhà nghiên cứu cho biết, để tính toán kích thước miền lớn hơn, các nghiên cứu trước đây đã bỏ qua một số lượng tham số trong phương trình vi phân mô phỏng. Hậu quả không mong muốn của việc bỏ qua một số thông số so với những thông số khác khiến kết quả tính toán mô tả không chính xác về những tổn thất của bức xạ.
Để khắc phục những hạn chế này, nhóm nghiên cứu do TS Ahmed lãnh đạo thiết kế mô phỏng với tất cả các thông số, không đưa ra giả thuyết về việc, thông số này có phù hợp hơn những thông số kia hay không. Đồng thời, để thực hiện những tác vụ tính toán khổng lồ hiện nay, các nhà khoa học sử dụng những tài nguyên do nhóm Máy tính Nghiên cứu Hiệu suất cao Texas A&M cung cấp.
Khi chạy mô phỏng, những phân tích cho thấy, sử dụng tất cả những tham số trong các tổ hợp phi tuyến mang lại một mô tả chính xác về thiệt hại bức xạ. Đặc biệt, ngoài cấu trúc vi mô của vật liệu, điều kiện bức xạ trong lò phản ứng, cấu trúc thiết kế lò phản ứng và nhiệt độ cũng có ý nghĩa quan trọng trong quá trình dự đoán sự mất ổn định của vật liệu do bức xạ.
Mặt khác, công trình nghiên cứu của nhóm nhà khoa học cũng làm rõ lý do, vì sao các vật liệu nano chuyên dụng có khả năng chịu được những khuyết tật khoảng trống và vòng lặp trật khớp tốt hơn.
Nhóm nghiên cứu phát hiện, sự bất ổn định chỉ kích hoạt khi ranh giới bao quanh các cụm tinh thể nguyên tử đồng định hướng, hoặc ranh giới hạt vượt quá kích thước tới hạn. Vì vậy, những vật liệu nano với kích thước hạt cực nhỏ sẽ ngăn chặn sự bất ổn định, do đó có khả năng chịu bức xạ tốt hơn.
Mặc dù nghiên cứu của nhóm là nghiên cứu lý thuyết và mô hình cơ bản, nhưng sẽ giúp cộng đồng hạt nhân tối ưu hóa vật liệu cho nhiều ứng dụng năng lượng hạt nhân khác nhau, đặc biệt là thiết kế và chế tạo vật liệu mới cho lò phản ứng hạt nhân an toàn, hiệu quả và tiết kiệm hơn. Kết quả này sẽ đóng góp cho sự phát triển năng lượng sạch, phi carbon.