Keluli Super Terobosan China: Bahan yang Menggerakkan Reaktor Pelakuran Generasi Seterusnya

Keluli Super China: Langkah Besar ke Hadapan untuk Pelakuran Nuklear

Dalam usaha meraih kuasa bintang, pelakuran nuklear dianggap sebagai matlamat utama untuk menghasilkan tenaga bersih tanpa had. Namun, meskipun fizik pelakuran nukleus atom begitu mencabar, satu lagi cabaran besar sekian lama membayangi bidang ini: mencari bahan yang cukup kuat untuk menahan keadaan ekstrem di dalam reaktor pelakuran. Pada 2023, saintis China mengumumkan satu kejayaan menerusi pembangunan dan penggunaan CHSN01—keluli berkekuatan tinggi suhu rendah China No. 1—aloi yang direka khas dan kini menjadi teras reaktor penjanaan kuasa nuklear pelakuran pertama di dunia. Pencapaian ini menandakan detik penting dalam sains bahan dan boleh mempercepat persaingan global untuk merealisasikan tenaga pelakuran yang praktikal.

Mengapa Reaktor Pelakuran Memerlukan Keluli Super

Reaktor pelakuran beroperasi dalam keadaan yang menguji batas kejuruteraan moden. Di terasnya terdapat magnet superkonduktor berkuasa tinggi yang menghasilkan medan magnet sehingga 20 Tesla—hampir 400,000 kali lebih kuat daripada medan magnet Bumi. Magnet ini perlu beroperasi pada suhu hampir sifar mutlak (serendah -269°C), sambil mengekang plasma yang lebih panas daripada teras Matahari. Bahan struktur di sekeliling magnet ini berdepan gabungan unik suhu amat sejuk, tekanan magnet yang sangat besar dan beban mekanikal berulang.

Bahan konvensional, termasuk yang direka untuk persekitaran ekstrem, sering menjadi rapuh atau kehilangan kekuatan pada suhu serendah itu. Selama beberapa dekad, bahan piawai untuk projek pelakuran seperti Reaktor Eksperimen Termonuklear Antarabangsa (ITER) di Perancis ialah keluli tahan karat 316LN, bahan yang direka untuk mencapai kekuatan dan kemuluran tinggi pada suhu kriogenik. Namun, apabila cita-cita dalam bidang pelakuran berkembang, tuntutan terhadap bahan turut meningkat. Reaktor masa depan memerlukan medan magnet yang lebih kuat serta bahan yang lebih teguh demi memastikan keselamatan dan kecekapan.

Perjalanan Sedekad Menghasilkan CHSN01

Kisah CHSN01 mencerminkan ketekunan dan inovasi saintifik. Penyelidik China memulakan usaha mereka lebih sedekad lalu setelah menyedari bahawa bahan sedia ada tidak memadai untuk generasi baharu reaktor pelakuran. Pada 2011, pasukan daripada Akademi Sains China membangunkan penyelesaian bahan pertama yang berdaya maju untuk magnet reaktor pelakuran, tetapi prestasinya masih belum mencukupi bagi keperluan reaktor masa depan.

Li Laifeng, penyelidik terkemuka di Institut Teknikal Fizik dan Kimia, antara mereka yang menyedari keterbatasan bahan sedia ada. Beliau berkata magnet ITER direka untuk 11.8 Tesla, sedangkan reaktor masa depan perlu mengendalikan medan yang jauh lebih kuat. Selain itu, ITER sendiri ialah kemudahan penyelidikan yang tidak bertujuan menjana elektrik, sedangkan cita-cita China merangkumi pembinaan loji kuasa pelakuran yang beroperasi.

Menjelang 2017, saintis China mencapai kemajuan dengan mengubah komposisi keluli mereka—menambah vanadium serta melaraskan paras karbon dan nitrogen—untuk meningkatkan kekuatan dan ketangguhan. Namun, bahan itu masih belum memenuhi piawaian ketat yang diperlukan bagi prestasi gred pelakuran. Ramai pakar antarabangsa bersikap skeptikal, dengan anggapan bahawa penambahbaikan berbanding 316LN hampir mustahil. Seperti yang dikatakan seorang saintis asing,

Sama sekali mustahil untuk menghasilkan bahan yang lebih baik daripada 316LN bagi keadaan ini.

Kejayaan dicapai pada 2020 apabila ahli fizik tersohor Zhao Zhongxian, pakar terkemuka dalam fizik kriogenik dan penerima anugerah sains tertinggi China, menyertai projek itu. Kepakaran dan kepimpinan Zhao membantu mengubah momentum projek pada saat genting, membimbing pasukan mengatasi cabaran terakhir.

Menetapkan Piawaian Baharu

Pada 2021, China menetapkan piawaian baharu yang ketat untuk bahan reaktor pelakuran: kekuatan alah 1,500 MPa (megapascal) dan pemanjangan melebihi 25% pada suhu kriogenik. Keperluan ini jauh melampaui kemampuan bahan sedia ada. Pakar pelakuran Li Jiangang menegaskan pentingnya membangunkan keluli termaju, dengan menyifatkannya sebagai perkara penting bagi masa depan tenaga pelakuran.

Pada tahun yang sama, Li Laifeng mengetuai penubuhan sebuah pakatan penyelidikan nasional yang menghimpunkan institut, syarikat dan pakar kimpalan untuk menghasilkan keluli kriogenik domestik yang baharu. Hasilnya ialah CHSN01, bahan yang tidak lama kemudian membuktikan keupayaannya dalam persekitaran paling mencabar.

Apakah Keistimewaan CHSN01?

CHSN01 bukan sekadar keluli tahan karat biasa. Ia aloi berkekuatan tinggi suhu rendah yang direka khusus untuk menahan tekanan unik dalam reaktor pelakuran. Dibangunkan daripada asas keluli tahan karat N50 yang diubah suai, CHSN01 mempunyai kandungan karbon amat rendah, kandungan nikel lebih tinggi dan kandungan oksigen rendah. Pelarasan ini memberikannya sifat mekanikal luar biasa pada suhu kriogenik.

Ujian mekanikal menunjukkan CHSN01 boleh mencapai kekuatan alah melebihi 1,500 MPa pada suhu 4.2 K (sedikit melebihi sifar mutlak), sambil mengekalkan kemuluran tinggi dan ketahanan terhadap keletihan bahan. Ini bermakna keluli tersebut mampu menahan kitaran tekanan berulang—sehingga 60,000 denyutan plasma—tanpa retak atau kehilangan keutuhan. Mikroskopi elektron pengimbasan dan spektroskopi sinar-X serakan tenaga mengesahkan taburan unsur yang homogen, sekali gus memastikan prestasi yang konsisten di seluruh bahan.

Ketahanan terhadap Keletihan Bahan dan Keselamatan

Salah satu cabaran paling kritikal bagi bahan reaktor pelakuran ialah ketahanan terhadap keletihan bahan. Magnet solenoid tengah (CS), yang memanaskan plasma, beroperasi menggunakan arus ulang-alik dan mengalami kitaran tekanan berulang. Sebarang kecacatan pada keluli boleh membesar dari semasa ke semasa dan berpotensi menyebabkan kegagalan besar.

Untuk menangani perkara ini, penyelidik menggunakan pemodelan termaju dan ujian eksperimen bagi menentukan saiz kecacatan maksimum yang dibenarkan pada jaket CHSN01. Hasilnya menunjukkan bahawa walaupun terdapat kecacatan awal yang kecil, bahan itu masih boleh menahan tuntutan operasi reaktor pelakuran dengan selamat. Tahap kebolehpercayaan ini penting bagi keselamatan dan kecekapan jangka panjang loji kuasa pelakuran.

Dari Makmal ke Reaktor: Penggunaan CHSN01

Pada Ogos 2023, CHSN01 disahkan memenuhi semua piawaian utama, termasuk keupayaan menahan medan magnet 20 Tesla dan tekanan 1,300 MPa dengan ketahanan tinggi terhadap keletihan bahan. Bahan itu terus digunakan dalam reaktor pelakuran BEST (Tokamak Superkonduktor Eksperimen Terobosan) China, yang mula dipasang pada Mei 2023 dan dijadualkan siap menjelang 2027.

Daripada lebih 6,000 tan komponen yang dipasang untuk reaktor itu, 500 tan jaket konduktor diperbuat daripada keluli CHSN01 keluaran dalam negara. Jaket ini membalut kabel superkonduktor yang menghasilkan medan magnet berkuasa tinggi reaktor, sekali gus memastikan keutuhan struktur dan keselamatan operasi.

Kerjasama dan Persaingan Antarabangsa

Pencapaian China menerusi CHSN01 sebahagian daripada usaha antarabangsa yang lebih luas untuk membangunkan tenaga pelakuran. Projek seperti ITER di Perancis dan SPARC di Amerika Syarikat turut mengembangkan batas sains bahan dan kejuruteraan. Namun, keputusan China membangunkan keluli supernya sendiri mencerminkan langkah strategik untuk mengurangkan kebergantungan terhadap teknologi asing dan meletakkan negara itu sebagai peneraju dalam persaingan pelakuran global.

Menurut kajian semakan rakan sebaya yang diterbitkan dalam Applied Sciences, jaket CHSN01 bukan sahaja memenuhi malah mengatasi prestasi bahan yang digunakan dalam ITER, membolehkan kecacatan yang lebih besar ditoleransi serta margin keselamatan yang lebih tinggi. Ini memberikan China kelebihan besar dalam usahanya membina loji kuasa pelakuran yang beroperasi.

Melangkaui Pelakuran: Masa Depan CHSN01

Walaupun CHSN01 dibangunkan khusus untuk reaktor pelakuran, sifat uniknya menjadikannya menarik untuk pelbagai kegunaan lain. Gabungan kekuatan tinggi, prestasi pada suhu rendah dan ketahanan terhadap keletihan bahan berpotensi memberi manfaat kepada industri seperti aeroangkasa, kriogenik dan pembuatan termaju.

Penyelidik China sudah mula meneroka penggunaan CHSN01 dalam projek teknologi tinggi yang lain, dan minat daripada rakan antarabangsa semakin meningkat. Ketika dunia beralih kepada sumber tenaga yang lebih bersih dan mampan, bahan seperti CHSN01 akan memainkan peranan penting dalam membolehkan teknologi baharu.

Implikasi terhadap Tenaga Global

Kejayaan penggunaan CHSN01 dalam reaktor pelakuran yang beroperasi lebih daripada sekadar pencapaian saintifik—ia memberi petanda bahawa tenaga pelakuran praktikal mungkin lebih hampir daripada yang dipercayai ramai pakar sebelum ini. Pelakuran menjanjikan bekalan tenaga bersih yang hampir tidak terhad, tanpa pelepasan gas rumah hijau dan dengan sisa radioaktif yang minimum. Jika reaktor BEST China mencapai matlamatnya, ia boleh membuka jalan kepada pembinaan loji kuasa pelakuran komersial di seluruh dunia.

Seperti yang dilaporkan sebuah saluran berita antarabangsa,

Penggunaan keluli termaju ini dilihat sebagai langkah penting ke hadapan dalam persaingan global untuk merealisasikan tenaga pelakuran nuklear yang praktikal.

Cabaran dan Langkah Seterusnya

Di sebalik keterujaan ini, cabaran besar masih wujud. Pembinaan dan pengendalian reaktor pelakuran merupakan usaha yang amat kompleks, bukan sahaja memerlukan bahan termaju tetapi juga penemuan baharu dalam fizik plasma, teknologi superkonduktor dan kejuruteraan berskala besar. Reaktor BEST masih dalam pembinaan, dan ujian serta penambahbaikan selama bertahun-tahun diperlukan sebelum tenaga pelakuran menjadi realiti komersial.

Walau bagaimanapun, pembangunan CHSN01 merupakan satu langkah besar ke hadapan. Ia membuktikan bahawa dengan pelaburan berterusan, kerjasama dan daya cipta saintifik, halangan teknikal yang paling mencabar sekalipun boleh diatasi.

Ringkasan

• China telah membangunkan CHSN01, keluli super terobosan yang direka untuk keadaan ekstrem di dalam reaktor pelakuran nuklear.
• CHSN01 menawarkan kekuatan, kemuluran dan ketahanan terhadap keletihan bahan yang luar biasa pada suhu kriogenik, mengatasi bahan terdahulu seperti keluli tahan karat 316LN.
• Bahan ini kini digunakan dalam reaktor pelakuran BEST China, menandakan pencapaian penting dalam persaingan global untuk merealisasikan tenaga pelakuran praktikal.
• Sifat unik CHSN01 berpotensi digunakan di luar bidang pelakuran, sekali gus memberi manfaat kepada industri seperti aeroangkasa dan kriogenik.
• Walaupun cabaran masih wujud, penggunaan CHSN01 yang berjaya membawa impian tenaga pelakuran bersih tanpa had selangkah lebih dekat kepada kenyataan.