Phát hiện khuyết tật lớp vỏ bọc cáp điện bằng kỹ thuật bức xạ

Khi bắn phá vật liệu bằng neutron hoặc ion gia tốc, lớp bề mặt vật liệu sẽ xuất hiện các biến đổi vật lý và hóa học. Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Quốc gia Ba Lan đã nghiên cứu chi tiết về các quá trình xảy ra trong điều kiện bị tác đốc bức xạ trên vật liệu polyme. Các kết quả thu được đã được các nhà vật lý sử dụng để phát triển phương pháp chế tạo các bộ phận siêu kín, đồng thời đề xuất kỹ thuật đơn giản và nhanh chóng để phát hiện các loại cáp gây nguy hiểm khi có lớp cách điện bằng polyme bắt đầu mất tính cách điện.

Việc duy trì hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân hay các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai một cách an toàn và đáng tin cậy hoàn toàn phụ thuộc vào chất lượng hệ thống cáp điện. Các nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Quốc gia Ba Lan (NCBJ) cho thấy lớp cách điện của cáp polymer khi tiếp xúc với liều lượng bức xạ cao trong nhiều năm sẽ dần mất đi đặc tính cách điện. Nhóm các nhà vật lý của NCBJ do Giáo sư Jacek Jagielski dẫn đầu không chỉ biết chi tiết quá trình biến đổi đó mà còn đề xuất một kỹ thuật đơn giản và sử dụng để phát hiện các loại cáp gây nguy hiểm do mất đi đặc tính cách điện.

Nhóm của Giáo sư Jagielski đã giải quyết các vấn đề liên quan đến việc biến đổi lớp bề mặt vật liệu bằng các chùm ion trong thời gian dài. Trong nhiều năm trở lại đây, các nhà nghiên cứu đã thực hiện rất nhiều công trình liên quan đến lớp vỏ cách điện siêu kín bằng polymer, đặc biệt tại Ba Lan, khi nhiều công ty gặp khó khăn trong việc đảm bảo an toàn cho các cáp điện khi sản xuất các thiết bị quân sự xuất khẩu sang các quốc gia có khí hậu nhiệt đới và mưa nhiều. Các vỏ bọc trong động cơ đang hoạt động ở Ba Lan không gặp vấn đề lớn nhưng lại thường xuyên bị quá nóng và rò rỉ trong các điều kiện khắc nghiệt mới. Khi đó, các nhà sản xuất phải thay thế toàn bộ các thiết bị bị lỗi do rò rỉ điện. SỰ quá nhiệt trên các miếng đệm sử dụng trong các cơ cấu chuyển động là hệ quả từ hệ số ma sát cao của các polyme. Nhóm của GS. Jagielski quyết định đánh giá xem liệu sự chiếu xạ ion có ảnh hưởng đến hệ số ma sát đó hay không. Kết quả thu được rất đáng kinh ngạc: lớp polymer mỏng, dày khoảng một micromet, cứng lại đáng kể sau khi bị bức xạ bắn phá. Hệ số ma sát của nó giảm tới 10 lần và nhanh chóng bị bao phủ bởi một mạng lưới các vết nứt.

Hình ảnh SEM cho thấy mặt cắt của lớp vỏ NBR và SBR tiếp xúc với chùm ion He + với độ liền mạch 1x10e17 cm-2. Sự phát xạ của chùm ion năng lượng cao tạo liên kết ngang trên lớp bề mặt polyme. Lõi vật liệu không ion hóa vẫn mềm dẻo và có thể kéo căng lớp trên cùng, khiến lớp bề mặt bị nhăn và nứt. (Nguồn: NCBJ)

Sự giảm đáng kể giá trị của hệ số ma sát trên các miếng đệm polyme có nghĩa là trong thực tế, sự mài mòn của các phần tử cơ học đã được giảm xuống. Do đó, các cơ chế trang bị miếng đệm sẽ hoạt động không chỉ lâu hơn mà còn hiệu quả hơn, đặc biệt là các vết nứt trên bề mặt có thể được sử dụng như một bể chứa chất bôi trơn. Trong một số trường hợp, chẳng hạn như bộ truyền động khí nén, máy có thể hoạt động nhanh hơn, dẫn đến tăng năng suất.

Giáo sư Jagielski cho biết: “Trong quá trình nghiên cứu các miếng đệm, chúng tôi nhận thấy rằng các đặc tính điện của polyme bắt đầu thay đổi do các khuyết tật bức xạ”. Vì vậy, điều gì sẽ xảy ra với lớp cách điện của cáp khi tiếp xúc với bức xạ, nếu lớp cách điện của chúng cũng được làm bằng polyme? Vấn đề này mang ý nghĩa đặc biệt vào thời điểm mà tính hiệu quả và an toàn của điện hạt nhân ngày càng được đánh giá cao trở lại. Các nhà máy điện hạt nhân hiện đại được thiết kế với thời gian hoạt động ít nhất 60 năm và có khả năng mở rộng lên đến hàng trăm năm; trong khi, mỗi lò phản ứng được trang bị vài nghìn km cáp lớn nhỏ. Một số sẽ tiếp xúc với sự bắn phá của neutron được giải phóng trong các phản ứng hạt nhân khi vận hành nhiều năm. Bởi vậy, khả năng sử dụng polyme cách nhiệt trở thành vấn đề về an ninh năng lượng của nhiều quốc gia.

Các dạng cáp trong nhà máy điện hạt nhân

Trong lò phản ứng hạt nhân, vật liệu tiếp xúc với neutron và bức xạ gamma. Tuy nhiên, phần lớn các khuyết tật trong vật liệu bị chiếu xạ không phải do neutron hoặc photon trực tiếp gây ra, mà là do các nguyên tử bị tác động và các liên kết nguyên tử bị phá vỡ. Do đó, trên thực tế, các khuyết tật vật chất do neutron gây ra về cơ bản không khác với các khuyết tật do ion tạo ra. Thay vì thực hiện các nghiên cứu phức tạp trong lò phản ứng, nhóm NCBJ đã sử dụng thiết bị cấy ion công nghiệp nguyên mẫu theo thiết kế riêng. Các vật liệu cách nhiệt như polyvinyl clorua (PVC), teflon (PTFE) và các loại cao su khác (tự nhiên, EPDM, NBR, SBR) được tiến hành chiếu xạ. Nhóm nghiên cứu đã ghi nhận các thành phần hóa học của lớp bề mặt bị biến đổi, cấu trúc vật lý và đặc điểm bề mặt của chúng. Liên kết giữa các nguyên tố của các vật liệu trên yếu và bị phá vỡ trong quá trình bắn phá bằng các ion nhanh. Chiếu xạ giải phóng một lượng hydro đáng kể từ lớp bề mặt, dẫn đến sự gia tăng liên kết ngang, lớp bề mặt co lại, gây ra ứng suất đáng kể dẫn đến sự hình thành vết nứt trên bề mặt polyme. Do đó, lớp polyme mất đi đặc tính cách điện. Nó trở nên đặc hơn so và cứng hơn đến mười lần. Nhóm cũng đã xác định rằng có mối tương quan rõ ràng giữa thay đổi trong đặc tính cơ học cách điện và điện trở của lớp cách điện. Để biết lớp cách điện có hoạt động tốt hay không, chỉ cần đo độ cứng của lớp cách điện bằng máy đo độ cứng cầm tay.