Trong công nghệ năng lượng hạt nhân thế hệ mới, chì lỏng thường được sử dụng làm chất làm mát. Tuy nhiên, các nhà khoa học vừa phát hiện ra rằng chì lỏng tàn phá thép không gỉ nhanh và nguy hiểm hơn nhiều so với dự đoán trước đây. Phát hiện này không chỉ vạch trần cơ chế hư hại mà còn đề xuất một giải pháp vật liệu mới mang tính cách mạng.
Nghiên cứu tập trung vào AISI 316L, loại thép không gỉ Austenit tiêu chuẩn được dùng phổ biến trong công nghiệp nhờ độ bền cơ học. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại KTH đã phát hiện ra một sự thật đáng sợ về một lớp màng chì lỏng siêu mỏng – chỉ dày 1 micron – là tác nhân kích hoạt quá trình ăn mòn kim loại với tốc độ khủng khiếp lên đến vài milimet mỗi năm.
Tác động của việc tiếp xúc với chì lỏng trên các thanh mẫu bằng thép không gỉ.
Phát hiện này đã lật đổ giả thuyết tồn tại lâu nay rằng một lớp oxit sắt bảo vệ sẽ hình thành trước để bảo vệ thép. Thực tế, lớp màng chì khiến cấu trúc thép tan rã gần như ngay lập tức khi tiếp xúc.
Nguyên nhân của sự thất bại nhanh chóng này nằm ở phản ứng hóa học giữa các nguyên tố. Các nhà khoa học lầm tưởng chì sẽ xâm nhập chậm chạp vào kim loại, nhưng thực tế, các nguyên tử Niken (thành phần chính tạo nên độ bền của thép 316L) lại tan rất nhanh trong chì lỏng.
Hiện tượng này được gọi là "rò rỉ Niken". Khi Niken khuếch tán ra ngoài và tan vào chì, phần sắt và crom còn lại sẽ tái cấu trúc thành một dạng xốp, yếu ớt.
Nhà nghiên cứu Kin Wing Wong ví von hiện tượng này giống như miếng "phô mai Thụy Sĩ". Cấu trúc thép trở nên rỗng, xốp và dễ dàng bị dòng chảy của chất làm mát xé toạc. "Thép về cơ bản bị làm rỗng từ bên trong trước khi bị rửa trôi hoàn toàn", ông giải thích.
Vì cơ chế ăn mòn này tấn công vào thành phần cơ bản của thép Austenit, việc "nêm nếm" lại công thức hợp kim cũ là vô vọng. Thay vào đó, các nhà nghiên cứu KTH đề xuất sử dụng một loại vật liệu hoàn toàn mới là thép Ferritic (FeCrAl).
Thép Ferritic được đề xuất cho lò phản ứng hạt nhân vì khả năng hồi phục của nó.
Được phát triển bởi nhà nghiên cứu Peter Szakálos, loại thép mới này có khả năng tự hình thành một lớp màng Alumina (Al2O3) có tính năng "tự phục hồi". Lớp màng này hoạt động như một tấm khiên bất khả xâm phạm, ngăn chặn quá trình hòa tan Niken ngay cả ở nhiệt độ khắc nghiệt đến 800 độ C.
Nhóm nghiên cứu kết luận: "Khi được sử dụng kết hợp làm lớp phủ bảo vệ cho thép thông thường, vật liệu này sẽ cung cấp sự bảo vệ lâu dài cần thiết cho các lò phản ứng làm mát bằng chì của tương lai".
