Hướng dẫn viết chuyên đề nghiên cứu khoa học helium

Các nhà khoa học nghiên cứu vật liệu mới để giải quyết hiện tượng bong bóng heli phá hủy kim loại, được coi là "ác mộng" trong các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân, theo Popular Mechanics.

Lò phản ứng tổng hợp hạt nhân đốt nóng hydro lên hàng triệu độ C để tạo thành heli trong phản ứng nhiệt hạch. Tuy nhiên quá trình này thường đòi hỏi nguồn năng lượng đầu vào để khởi động phản ứng rất lớn, có thể nhiều hơn cả mức năng lượng tạo ra.

Ngoài việc phải xác định tỷ lệ phù hợp của ion hydro, chất đồng vị deuterium, helium-3 và tìm cách đốt nóng hỗn hợp để tạo ra phản ứng nhiệt hạch, các chuyên gia còn phải giải quyết một vấn đề quan trọng, đó là làm thế nào để thiết kế một lò phản ứng có thể chịu được nhiệt độ và áp lực cực lớn của phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Trong lò phản ứng tổng hợp hạt nhân, hỗn hợp plasma của khí heli sinh ra khi nung nóng hydro lên hàng trăm triệu độ C có thể xâm nhập các bộ phận kim loại. Khi heli đi qua chất rắn, nó sẽ tạo thành các bong bóng tương tự bong bóng CO2 trong đồ uống có ga.

Những bong bóng này sẽ để lại nhiều lỗ hổng trong kim loại và dần làm yếu kết cấu của các bộ phận trong lò phản ứng. Dù thu được các phản ứng năng lượng dương thì chúng cũng có thể phá hủy lò phản ứng trước khi mức năng lượng tạo ra bù đắp được chi phí xây dựng ban đầu.

"Các bong bóng heli bên trong kim loại sẽ ở đó vĩnh viễn vì kim loại là chất rắn. Khi heli tích lũy càng nhiều, số bong bóng này bắt đầu liên kết với nhau và phá hủy toàn bộ kim loại", Michael Demkowicz, giáo sư tại Đại học Texas A&M, cho biết.

Demkowicz cùng đồng nghiệp hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos để tìm ra giải pháp mới. Họ xem xét ảnh hưởng của bong bóng heli lên nanocomposite, vật liệu rắn gồm một lớp kim loại mỏng, chiều rộng nhỏ hơn 50 nanomet, kẹp giữa các lớp kim loại khác dày hơn. Trong trường hợp này, nhóm nghiên cứu đặt một lớp đồng mỏng giữa hai lớp vanadium dày, sau đó bơm heli vào đồng.

Heli tạo thành các rãnh khi đi qua nanocomposite. Ảnh: Texas A&M.

Các nhà khoa học ngạc nhiên nhận thấy heli tạo ra những đường rãnh trên nanocomposite thay vì bong bóng như với các kim loại thông thường. Nếu những đường rãnh hợp thành mạng lưới ổn định cho heli đi qua thì vật liệu này có thể bền hơn các kim loại đang sử dụng trong thí nghiệm tổng hợp hạt nhân.

"Chúng tôi rất phấn khích trước những gì chứng kiến. Khi cho càng nhiều heli vào trong nanocomposite, các rãnh heli lại bắt đầu nối với nhau thay vì phá hủy vật liệu này và tạo ra một dạng hệ mạch", Demkowicz nói.

Ngoài việc tạo ra vật liệu mới có khả năng chống chịu tốt hơn cho lò phản ứng tổng hợp hạt nhân, Demkowicz tin rằng phát hiện mới có thể ứng dụng vào nhiều nghiên cứu khoa học khác.

"Ứng dụng trong lò phản ứng tổng hợp hạt nhân chỉ là phần nổi của tảng băng. Tôi nghĩ khả năng ứng dụng rộng hơn nằm ở việc tạo ra các rãnh trong chất rắn, giống như các mô với hệ mạch. Chúng ta sẽ vận chuyển được gì qua các hệ mạch như thế? Có thể là hơi nóng, điện năng, thậm chí các chất hóa học giúp vật liệu tự liền lại", Demkowicz nhận xét.

Khí heli dùng có nguy hiểm không? Và khi dùng có đảm bảo an toàn không? Về vấn đề này không đáng lo ngại. Bởi nó là loại khí không mùi, không màu và không chất độc hại nên khi dùng sẽ rất yên tâm. Không lo ảnh hưởng đến sức khỏe cũng như môi trường xung quanh.

Khí heli có cháy không? Tuyệt đối không bởi nếu bạn hiểu được cơ chế hoạt động của nó một cách cụ thể thì sẽ nắm được việc loại khí này không hề có bất cứ một phản ứng hóa học với bất cứ một chất nào?

Do đó, dùng khí helium không hề nguy hiểm và cũng không gây cháy nổ.

Khí Heli không thể hóa rắn mà nó chỉ có thể hóa lỏng tại không độ tuyệt đối ở áp suất chuẩn, đây lại là môi trường chỉ có trong các phòng nghiên cứu thí nghiệm. Chính vì vậy có thể khẳng định khí Helium không gây nguy hiểm.

Một số ứng dụng của khí Heli siêu tinh khiết

Hàn

– Khí heli bảo vệ xung quanh điểm hàn không cho kim loại bị oxy hóa. Tiềm năng ion hóa cao của khí heli cho phép sử dụng nó trong hàn hồ quang plasma. Nhất là khi hàn các kim loại đặc biệt như titanium, zirconium, magiê và các hợp kim nhôm. Các kim loại hiếm chỉ được sử dụng trong xây dựng, đóng tàu và không gian vũ trụ.

– Helium được ứng dụng làm khí che chắn trong hàn hồ quang và hàn hồ quang plasma.

– Che chắn bằng khí heli có thể được thay thế bởi argon hoặc hydro. Tuy nhiên đối với hàn hồ quang plasma của một số vật liệu nhất định như titan, heli không thể bị thay thế. Bởi vì heli là khí duy nhất có hoạt động nhiệt đủ cao để tạo sự an toàn.

Sắc ký khí

– Sắc ký khí là phương pháp sắc ký được sử dụng phổ biến trong hóa phân tích. Để tách và phân tích các hợp chất bay hơi mà không làm phân hủy thay đổi mẫu.

– Helium được sử dụng như là khí mang và tẩy khí để làm sắc ký khí. Bởi vì helium có tính chất trơ và độ tinh khiết cao.

Làm sạch bồn chứa

– Khí heli được dùng để làm sạch bồn chứa hidro lỏng và các hệ thống ống dẫn nơi các khí trơ bị kết đông

– Helium được áp dụng trong các hoạt động tẩy rửa áp lực.

– Helium làm khí tẩy được sử dụng trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ.

– Khí Heli được sử dụng để duy trì áp suất trong các thùng nhiên liệu oxy lỏng.

Heli siêu tinh khiết trong kính thiên văn

– Heli làm giảm tác động bóp méo của nhiệt giữa các ống kính trong một số kính thiên văn do chỉ số khúc xạ đặc biệt thấp và độ dẫn nhiệt cao.

– Heli có thể được thay thế bằng cách sử dụng kính thiên văn chân không.

Ứng dụng khí heli siêu tinh khiết trong phòng thí nghiệm

Heli siêu tinh khiết trong kỹ thuật Laser

– Đèn phóng tia heli được sử dụng để chiếu sáng mục đích đặc biệt. Như heli khí cộng hưởng làm việc trong một số loại laser heli không thể được thay thế.

– Laser Helium được sử dụng như khí làm việc trong laser và ánh sáng. Khí cộng hưởng được sử dụng trong laser khí như laser heli-neon và laser CO2 và laser kim loại như laser laze kim loại helium-cadmium.

– Heli được sử dụng làm khí hoạt động trong các đèn phóng điện. Heli phát ra màu từ trắng đến cam.

– Laser He-Ne hoạt động trong vùng đỏ có một số ứng dụng công nghiệp và khoa học. Chúng thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm với các lĩnh vực quang học do dễ vận hành và chi phí tương đối thấp.

– Các laser khác nhau với khí heli được áp dụng cho các ứng dụng khác nhau. Như nghiên cứu khoa học, giao thoa, chụp ảnh, chụp quang phổ. Trong quét mã vạch, sắp xếp, phẫu thuật laser mắt, trình diễn quang học. Trong in và sắp xếp các ứng dụng, hàn và cắt.

Heli tinh khiết dùng trong làm lạnh

– Helium được sử dụng như chất làm mát siêu dẫn cho các cho các thiết bị. Magnet Resonance Imaging (MRI), quang phổ NMR, máy gia tốc hạt.

– Helium được sử dụng như là chất làm siêu mát, bởi vì helium có điểm nóng chảy và sôi thấp nhất(-268 độ C). Helium không đông lại ở áp suất khí quyển và Helium có tính trơ về mặt hóa học. Hơn nữa, heli là siêu lỏng dưới 2,2Kelvin.

– Helium làm lạnh các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp và nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp đến nhiệt độ gần với độ không tuyệt đối.

Sơn phủ kim loại

– Heli được sử dụng làm khí mang cho phun nhiệt và phun lạnh do tính trơ hoá của nó.

– Thường được biết đến như là phun kim loại. Quá trình phủ bề mặt mà có thể phun một loạt các kim loại và gốm với vận tốc lớn lên bề mặt của vật liệu khác để tạo ra các lớp phủ kim loại.

Có thể thấy khí Heli siêu tinh khiết đóng vai trò rất quan trọng trong từng lĩnh vực. Nếu bạn có nhu cầu sử dụng khí Heli siêu tinh khiết cho phòng thí nghiệm hoặc cho các lĩnh vực có liên quan hãy liên hệ với Vietxuangas. Chúng tôi cung cấp khí heli với mọi độ tinh khiết. Kể cả heli siêu tinh khiết như heli 6.0.

Lưu ý khi dùng khí heli

Helium là một chất khí tương đối trơ, không màu, không mùi, không vị, không độc hại. Do không phản ứng hóa học với những chất khác. Nó cũng không gây cháy nổ. Tuy nhiên, khi sử dụng khí Helium, người dùng cần lưu ý như sau: nếu trực tiếp hít lượng lớn khí Helium sẽ khiến cơ thể bạn bị thiếu oxy nghiêm trọng. Sẽ dẫn đến nghẹt thở.Đặc biệt là những người sử dụng khí Heli cho mục đích giải trí, mà cụ thể là dùng khí heli để thay đổi giọng nói tạm thời.

Tuyệt đối không được hít khí trực tiếp từ các bình nén vì khí đó áp suất trong bình là cực lớn, khi đột ngột được giải phóng, khí sẽ thoát ra với tốc độ nhanh và mạnh gây tổn thương tế bào phổi, tác nghẽn mạch máu, dẫn đến đột quỵ và nghiêm trọng hơn là tử vong. Không nên để quá nhiều bóng bay trong phòng kín vì khi đó khi Heli sẽ thoát ra ngoài gây ảnh hưởng tới trẻ nhỏ. Ngay cả khi người lớn cũng có thể bị những triệu chứng có thể dẫn tới tử vong.