Kỹ thuật hạt nhân phát triển vật liệu tiên tiến

Từ đóng gói thực phẩm năng động dựa trên vật liệu nanocompozit chứa tinh dầu, đến polyme siêu hấp thụ ghép mạch bức xạ, vật liệu tiên tiến được xử lý bằng bức xạ ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm lãng phí thực phẩm, nâng cao hiệu suất nông nghiệp, cải thiện chăm sóc sức khỏe và hơn thế nữa.

Ngoài trọng lượng nhẹ và dễ chế tạo, các vật liệu tiên tiến được thay đổi bằng kỹ thuật hạt nhân còn mang lại hiệu suất và độ bền cao. Công nghệ bức xạ, bao gồm cả máy gia tốc, đã củng cố vị trí và thông qua nhiều ứng dụng, góp phần vào sự phát triển bền vững.

Sử dụng vật liệu tiên tiến

Để tạo ra các vật liệu tiên tiến hoặc cải thiện việc sản xuất các vật liệu hiệu suất cao, một số quy trình có sự hỗ trợ của bức xạ hiện đã được thiết lập và thực hiện tốt trong công nghiệp. Ví dụ, tăng sự phù hợp của chất dẻo hoặc cao su được chiếu xạ cho phép sản xuất nhiều vật liệu khác nhau, như ống nhựa chịu nhiệt và áp suất được sử dụng để dẫn nước và làm nóng chất lỏng trong các tòa nhà.

Celina Horak, Trưởng Bộ phận Công nghệ bức xạ và sản phẩm đồng vị phóng xạ tại IAEA cho biết: “Các vật liệu hiệu suất cao được xử lý bằng bức xạ có thể tìm thấy ở mọi nơi và trong mọi thứ. Chúng có trong các vật dụng hàng ngày giúp làm chắc chắn hơn và an toàn hơn. Một số vật liệu này thậm chí còn được sử dụng để làm cho lối sống của bạn bền vững hơn”.

Xử lý bức xạ cũng được áp dụng để làm khô hoặc làm cứng sơn, mực và chất phủ không dung môi, đồng thời cải thiện độ bền, khả năng chịu nhiệt và tính không thấm của vật liệu đóng gói sinh học và phân hủy sinh học. Gốm xốp với các hạt nano bạc được tổng hợp tại chỗ hiện được sử dụng ở nhiều quốc gia khác nhau để lọc nước ở cộng đồng nông thôn.

Lợi ích của vật liệu tiên tiến trong bối cảnh biến đổi khí hậu

Đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng trong giải quyết biến đổi khí hậu đòi hỏi phải phát triển hơn nữa trong sản xuất, lưu trữ và tái chế năng lượng tái tạo. Giáo sư Xavier Coqueret tại Đại học Reims Champagne-Ardenne cho biết: “Công nghệ bức xạ rất phù hợp để chế tạo các màng đặc trưng riêng và vật liệu tổng hợp khối lượng lớn cho công nghệ pin nhiên liệu, nhằm sản xuất năng lượng tái tạo hiệu quả hơn”. Ông cho biết tiền xử lý bức xạ có thể được sử dụng để cải thiện sinh khối lignocellulosic hoặc chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thông qua quang điện tiên tiến.

Để giải quyết một vấn đề môi trường khác, gánh nặng rác thải nhựa toàn cầu, Giáo sư Coqueret cho biết cần các phương pháp tái chế hiệu quả sử dụng bức xạ trong thiết kế các sản phẩm nhựa và composite tiên tiến nếu không thì không thể tái sử dụng bằng các phương pháp thông thường.

Hiệu ứng bức xạ trên các vật liệu tiên tiến

Vật liệu chắc, đàn hồi và bền là rất quan trọng trong công nghiệp nói chung nhưng đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực hạt nhân, nơi mà sự an toàn của lò phản ứng và tính khả thi của các hoạt động chu trình nhiên liệu phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng. Đối với vật liệu trong lò phản ứng hạt nhân, hai thách thức lớn nhất là nhiệt – được giải quyết bằng hệ thống làm mát - và bức xạ.

“Các vật liệu cấu trúc bên trong lò phản ứng hạt nhân phải chịu sự phá hủy từ các neutron nhanh làm bật các nguyên tử ra khỏi vị trí và tạo ra hydro hoặc heli ở dạng khí. Do đó có thể dẫn đến sự trương nở, tạo ra lỗ hổng và nhiều thay đổi cấu trúc và cơ học khác làm hạn chế thời gian sống”, Ian Swainson, nhà vật lý hạt nhân tại IAEA cho biết. “Do đó, việc thử nghiệm vật liệu chống bức xạ là điều cần thiết và máy gia tốc có thể giúp việc thử nghiệm được phổ biến rộng rãi hơn”.

Các hạt tích điện sẽ mất phần lớn năng lượng vào cuối hành trình đâm xuyên qua vật liệu, gây ra thiệt hại cục bộ nhưng đáng kể. Vì lý do này, các nhà nghiên cứu có kế hoạch thử nghiệm các vật liệu mới cho lò phản ứng hạt nhân trong tương lai bằng cách sử dụng các hạt tích điện từ máy gia tốc chùm ion.

Swainson cho biết: “Thử nghiệm vật liệu bằng máy gia tốc nhanh hơn so với sử dụng lò phản ứng” Swainson giải thích rằng những cái có thể hoàn thành trong một ngày với máy gia tốc có thể phải mất một năm với lò phản ứng thử nghiệm thông lượng cao. Thông thường, các mẫu không bị nhiễm phóng xạ, và các vùng bị phá hỏng có thể được tách và kiểm tra cẩn thận bằng các kỹ thuật hiển vi.

Năm 2016, Swainson đã giúp tổ chức một dự án nghiên cứu phối hợp của IAEA kéo dài 5 năm, trong đó các mẫu của cùng một loại vật liệu được phân phối đến nhiều cơ sở máy gia tốc để chiếu xạ, trong các điều kiện giống hệt nhau và lò phản ứng nghiên cứu nhanh BOR-60 ở Liên bang Nga để so sánh. Phân tích sau chiếu xạ sẽ góp phần cải thiện khả năng tái tạo từ địa điểm này sang địa điểm khác giữa các cơ sở máy gia tốc và làm rõ cách máy gia tốc sàng lọc các vật liệu kém hiệu quả.

Vào tháng 8 năm 2022, IAEA đã tổ chức Hội nghị quốc tế lần thứ hai về Ứng dụng khoa học và công nghệ bức xạ (ICARST-2022) để trao đổi những vấn đề này và nêu bật các ứng dụng và sự phát triển của bức xạ ion hóa. Hội nghị, trong số các chủ đề khác, tập trung vào những tiến bộ và công nghệ hiện tại hoặc những hạn chế về kinh tế trong các lĩnh vực cụ thể của vật liệu tiên tiến, và giúp đánh giá các thành tựu trong các quy trình bức xạ đã được thiết lập để cải thiện hiệu suất của vật liệu.

Theo Varans.vn