Một trong những thử thách đặt ra khi thiết kế một lò phản ứng hạt nhân đó làm sao tìm được loại vật liệu có thể chống chịu nhiệt độ cao, bức xạ, áp lực vật lý và sự ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt của lò phản ứng. Các bức xạ đơn phát ra có thể gây nên những tổn thất đáng kể ở tỉ lệ nano. Vì vậy, các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos bang New Mexico, Hoa Kì đang thử nghiệm một cỗ máy cho phép vật liệu tinh thể nano tự hàn gắn lại những hư hao từ quá trình phát sinh bức xạ. Điều này sẽ mở ra một hy vọng cho những vật liệu cấu thành nhằm nâng cao độ tin cậy, độ an toàn và tuổi thọ của hệ thống năng lượng hạt nhân.
020410_1

An ninh là mối quan tâm hàng đầu khi xây dụng một lò phản ứng hạt nhân. Không ai muốn thấy lại thảm họa hạt nhân Cherlobyl

Bức xạ có thể khiến một nguyên tử hoặc một nhóm nguyên tử va chạm bên ngoài và để lại phía sau một khoảng trống hay chỗ khuyết. Những nguyên tử chuyển dời được gọi là các nguyên tử ngoài nút và chúng tập hợp lại liên tục trên vật liệu khiến vật liệu bị phồng, trở nên khô cứng và giòn. Từ đó, dưới tác động phá hủy thì một thảm họa nguyên tử như vụ nổ lò phản ứng Chernobyl năm 1986 là hoàn toàn có thể xảy ra.

Vật liệu tinh thể nano được các nhà khoa học nghiên cứu có cấu tạo bởi các hạt nano, trong trường hợp này chúng là những hạt đồng và mỗi hạt có kích thước bằng một con virut hay thậm chí nhỏ hơn. Vật liệu tinh thể nano là một sự kết hợp của các hạt và mặt phân giới giữa các hạt còn gọi là biên hạt. Vật liệu này chứa một số lượng lớn biên hạt và có thể loại bỏ những hao hụt như các chỗ khuyết và nguyên tử ngoài nút. Do đó, các nhà khoa học cho rằng vật liệu này có thể chịu bức xạ tốt hơn.

Tuy nhiên, khi kết nối với máy tính mô phỏng, các nhà khoa học lại khó có thể dự đoán hiệu năng của vật liệu tinh thể nano trong môi trường khắc nghiệt của lò phản ứng bởi chi tiết những gì xảy ra bên trong vật liệu là rất phức tạp.

Phát hiện một hiện tượng mới:

Theo nội dung đăng tải trên thời báo Science, các nhà nghiên cứu đã mô tả một hiện tượng mới: hiện tượng 'tải và trút tải' (loading-unloading) tại các biên hạt trong vật liệu tinh thể nano qua đó cho phép vật liệu tự phục hồi những hư hại sau quá trình phát sinh bức xạ.

Bằng việc sử dụng 3 phương pháp mô phỏng khác nhau, họ đã nghiên cứu sự tương tác giữa những sai hỏng và các biên hạt trong một thang đo thời gian từ 1 phần triệu triệu giây đến 1 phần triệu giây. Trong một khoảng thời gian ngắn, vật liệu bị hư hại bởi bức xạ đã trải qua một quá trình gọi là 'tải' (loading) ở các biên hạt, trong đó các nguyên tử ngoài nút bị nhốt vào biên hạt. Sau đó, biên hạt 'trút tải' (unloading) các nguyên tử này trở lại những chỗ khuyết gần biên hạt và từ đó, vật liệu được phục hồi.

Theo các nhà khoa học, quá trình trút tải là điều không ngờ tới bởi các biên hạt được xem là một nơi tập hợp các nguyên tử ngoài nút thay vì giải phóng chúng. Quá trình hàn gắn các sai hỏng đòi hỏi một ít năng lượng để thực hiện nhưng ở mức thấp hơn so với các cỗ máy thông thường. Vì vậy, phát hiện mới này sẽ giúp cải tiến thiết kế của những vật liệu chịu bức xạ cao cho các chương trình năng lượng hạt nhân thế hệ tiếp theo.