Công nghệ chùm neutron giúp ngăn ngừa vết nứt trên tàu ngầm hạt nhân Mỹ

Hải quân Mỹ đang triển khai thử nghiệm công nghệ chùm neutron nhằm soi thấu các mối hàn trên thân thép của tàu ngầm hạt nhân. Đây là giải pháp kỹ thuật tiên tiến giúp phát hiện và ngăn ngừa hiện tượng nứt do giảm độ dẻo (DDC), bảo đảm an toàn cho thủy thủ đoàn khi hoạt động dưới áp suất cực lớn ở độ sâu lớn.

Thách thức từ áp lực cực lớn dưới lòng đại dương

Thân chịu áp lực của tàu ngầm hạt nhân Mỹ được cấu thành từ các tấm thép khổng lồ dài khoảng 30 mét, ghép nối bằng kỹ thuật hàn chính xác. Khi lặn sâu hơn 244 mét dưới mặt nước, con tàu phải chịu áp lực bên ngoài vượt quá 2.390.000 newton trên mỗi mét vuông. Trong điều kiện khắc nghiệt này, bất kỳ vết nứt siêu nhỏ nào tại thân thép hoặc mối hàn cũng có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng cho thủy thủ đoàn và ảnh hưởng đến độ bền kết cấu lâu dài.

Một vấn đề kỹ thuật phổ biến là hiện tượng nứt do giảm độ dẻo (ductility dip cracking - DDC). Hiện tượng này xảy ra khi kim loại hàn nguội đi và rắn lại, tạo ra các khe nứt li ti có thể phát triển dần theo thời gian. Ngay cả hợp kim đồng-niken (tỷ lệ 70% đồng, 30% niken) vốn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hải quân cũng không tránh khỏi nguy cơ này.

Ứng dụng kỹ thuật tán xạ neutron tại Oak Ridge

Để giải quyết thách thức, Hải quân Mỹ đã phối hợp cùng Electric Boat, Đại học Connecticut và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ. Nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tán xạ neutron trên thiết bị High Intensity Diffractometer for Residual Stress Analysis (HIDRA) đặt tại lò phản ứng neutron HFIR của ORNL.

Khác với tia X, neutron có khả năng xuyên sâu vào các lớp kim loại dày mà không gây hư hại. Nhờ phương pháp nhiễu xạ neutron, các nhà khoa học đo đạc được sự thay đổi khoảng cách mạng tinh thể do ứng suất nội tại. Đồng thời, kỹ thuật chụp ảnh neutron cho phép phát hiện những biến đổi mật độ và các đặc điểm ẩn sâu bên trong mối hàn mà các phương pháp thông thường khó tiếp cận.

Xây dựng mô hình dự đoán và ngăn ngừa thảm họa

Tiến sĩ Lesley Frame, giảng viên khoa khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học Connecticut, cho biết nghiên cứu này tập trung vào các yếu tố phi vi cấu trúc của DDC, bao gồm ứng suất dư sinh ra từ nhiệt trong quá trình hàn. Nhờ nguồn neutron năng lượng cao từ lò HFIR, các phép đo phức tạp có thể hoàn tất chỉ trong vài giờ thay vì kéo dài hàng tuần.

Nghiên cứu sinh Matt Caruso bổ sung rằng việc lập bản đồ ứng suất sau khi hàn giúp đối chiếu với các mô hình máy tính đang được phát triển. Mục tiêu cuối cùng là xây dựng hệ thống dự đoán chính xác thời điểm các điều kiện hàn có thể gây nứt, từ đó tìm cách điều chỉnh để giảm thiểu rủi ro. Việc ngăn chặn hiệu quả hiện tượng DDC thông qua công nghệ neutron sẽ giúp các tàu ngầm hạt nhân vận hành an toàn và bền bỉ hơn trong các nhiệm vụ chiến lược.

Tuệ Nhân