Là một trong sáu công nghệ lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ tư, lò phản ứng muối nóng chảy (MSR) là công nghệ đầy triển vọng, cung cấp năng lượng hạt nhân sạch, hiệu quả và giá cả phải chăng, nhờ sử dụng muối nóng chảy làm cả chất làm mát và nhiên liệu.
Tuy nhiên, môi trường khắc nghiệt, nhiệt độ cao của muối florua nóng chảy gây ra sự ăn mòn nhanh chóng vật liệu cấu trúc bên trong, làm hạn chế tính khả thi của chúng. Các giải pháp trước đây dựa vào sử dụng các hợp kim niken cao cấp, làm tăng chi phí và phức tạp quá trình sản xuất.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Liverpool và Copenhagen Atomics chứng minh, sử dụng muối tinh khiết có thể ngăn ngừa hiện tượng ăn mòn trong MSR. Trong khi muối chưa qua xử lý có thể gây ra thách thức lớn cho MSR. Phát hiện này mở đường cho các lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới bền bỉ, tiết kiệm chi phí hơn và có khả năng mở rộng quy mô.
Theo nghiên cứu công bố trên tạp chí Nuclear Materials, độ tinh khiết của muối là yếu tố quan trọng trong việc ngăn ngừa ăn mòn thép không gỉ 316L, vật liệu sử dụng rộng rãi trong các MSR. Nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm ăn mòn dài hạn trên thép không gỉ 316L với cả muối nóng chảy tinh khiết và chưa qua xử lý (FLiNaK và LiF-ThF₄) ở nhiệt độ lên đến 700°C.
FLiNaK là hỗn hợp muối eutectic ba thành phần gồm lithium florua (46,5%), natri florua (11,5%) và kali florua (42%). Trong lịch sử, nó được dùng làm chất làm mát thứ cấp hoặc chất truyền nhiệt trung gian. Nó là lựa chọn hàng đầu cho vòng tuần hoàn trung gian trong các lò phản ứng nhiệt độ cao làm mát bằng muối (FHR) và một số MSR.
LiF-ThF₄ là muối lithium-thorium florua, là nhiên liệu hay “lớp phủ” cho các lò phản ứng dựa trên thorium. Thorium-232 trong muối hấp thụ một neutron để cuối cùng trở thành uranium-233, sau đó trải qua quá trình phân hạch. Trong MSR, loại muối FLiNaK có thể sử dụng để làm mát, trong khi muối LiF-ThF₄ lưu thông trong lớp phủ riêng biệt để tạo nhiên liệu.
Kết quả thử nghiệm rất đáng chú ý. Muối chưa qua xử lý, chứa hơi ẩm và oxit, gây hiện tượng ăn mòn nghiêm trọng, dẫn đến mất kim loại, xuống cấp bề mặt và suy yếu cấu trúc chỉ sau 1.000 giờ, theo World Nuclear News.
Trong khi đó, việc sử dụng muối có độ tinh khiết cao, sau khi loại bỏ tạp chất, cho thấy hầu như không có sự ăn mòn đáng kể nào ngay cả sau 3.000 giờ. Thép vẫn giữ được độ bền, chỉ có một lớp màng mỏng cacbua crom bảo vệ hình thành trên bề mặt.
Các mẫu thử tiếp xúc với muối chưa qua xử lý có hiện tượng bong tróc kim loại đáng kể và mất đi lớp phủ bề mặt. Điều này cho thấy, sự ăn mòn do tạp chất trong muối chưa qua xử lý làm hòa tan lớp màng thụ động bảo vệ (Cr2O3), lộ ra hợp kim 316L bên dưới, khiến lớp Cr trên bề mặt bị suy giảm, do đó làm giảm khả năng hình thành lớp màng Cr2O3 sau thí nghiệm.
Các kết quả này mở ra khả năng sử dụng thép không gỉ 316L, loại thép rẻ hơn và dễ tìm hơn đáng kể so với hợp kim niken cao, giúp giảm chi phí xây dựng và bảo trì. Muối tinh khiết giúp giảm thiểu ăn mòn sẽ kéo dài tuổi thọ của các bộ phận lò phản ứng và cải thiện độ tin cậy vận hành.
Việc sử dụng các vật liệu công nghiệp tiêu chuẩn và quy trình tinh chế muối đã được chứng minh sẽ giúp dễ dàng mở rộng quy mô công nghệ MSR để sản xuất năng lượng trên diện rộng. Giảm nguy cơ ăn mòn cũng tăng cường an toàn lò phản ứng, một bước tiến lớn cho lĩnh vực này.
