Nhà khoa học chế tạo pin hạt nhân hiệu suất gấp 8.000 lần dùng vài trăm năm

Mới đây, các nhà khoa học Trung Quốc chính thức công bố kết quả nghiên cứu pin năng lượng hạt nhân trên Tạp chí Nature. Theo đó, nhóm nghiên cứu của GS Vương Thù Ao thuộc Đại học Đông Ngô (Trung Quốc), đã khai thác tia alpha giải phóng từ đồng vị phóng xạ phân rã để tạo ra loại pin này.

Hiện nay, đồng vị phóng xạ alpha là "ứng viên" sáng giá cho pin vi hạt nhân, do năng lượng phân rã cao, từ 4 đến 6 mega electron volt (MeV). Năng lượng tia alpha có tiềm năng vượt xa các thiết bị khai thác đồng vị phóng xạ beta. Trong khi, năng lượng phân rã của đồng vị phóng xạ beta cao nhất khoảng vài chục kiloelectron volt (KeV).

Dù hiệu suất cao gấp 8.000 lần so với pin thông thường, pin vi hạt nhân vẫn gặp hạn chế vì khả năng thâm nhập cực ngắn vào chất rắn khiến hạt alpha mất nhiều năng lượng thông qua hiệu ứng tự hấp thụ. Theo GS Vương Thù Ao - trưởng nhóm nghiên cứu: "Hiệu ứng tự hấp thụ làm giảm mạnh công suất thực tế của pin vi hạt nhân đồng vị phóng xạ alpha hơn nhiều so với lý thuyết".

Ảnh minh họa pin vi hạt nhân của các nhà khoa học Trung Quốc chế tạo. Nguồn ảnh: SCMP

Thiết kế pin vi hạt nhân có lớp tích hợp hoạt động như pin mặt trời nhằm sử dụng tối ưu bức xạ alpha. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp bộ chuyển đổi năng lượng - một lớp polyme bao quanh đồng vị để truyền năng lượng giải phóng trong quá trình bức xạ. Bằng cách chuyển nó thành ánh sáng và điện, giống tế bào quang điện.

Theo công trình nghiên cứu này, chỉ sử dụng 11 microcurie (μCi) của chất phóng xạ tổng hợp 243Am, tổ hợp này đã tạo ra phát quang từ tia alpha phát ra bởi quá trình phân rã đồng vị. Trong một thí nghiệm khác, công suất phát quang được xác định là 11,88 nanowatt (nW), với hiệu suất biến đổi năng lượng từ quá trình phân rã thành ánh sáng đạt mức 3,43%.

Nhóm nghiên cứu cho biết, pin hạt nhân quang điện biến đổi phóng xạ thành năng lượng điện có tuổi thọ dài và hoạt động không phụ thuộc vào thay đổi của nhiệt độ. Cụ thể, pin vi hạt nhân thử nghiệm có tổng hiệu suất biến đổi điện năng là 0,889% và sinh ra 139 microwatt/curie.

Pin vi hạt nhân do nhóm nghiên cứu được xác minh nghiêm ngặt thông qua các lý thuyết và nhiều thực nghiệm cho thấy, hiệu suất biến đổi năng lượng cao gấp 8.000 lần so với cấu trúc pin thông thường.

Tương tự, bộ chuyển đổi năng lượng cũng có tính ổn định cao, các thông số hiệu suất gần như không đổi trong hơn 200 giờ hoạt động liên tục. Với chu kỳ bán rã của chất phóng xạ tổng hợp là 243Am pin vi hạt nhân có tuổi thọ lên đến vài thế kỷ.

Cấu trúc pin (ảnh 1), đặc tính của bộ chuyển đổi năng lượng (ảnh 2), kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (ảnh 3) và kết quả hiệu suất của pin (ảnh 4). Nguồn ảnh: Phòng nghiên cứu trọng điểm Trung Quốc về Y học hạt nhân và an toàn bức xạ.

Tờ Khoa học và Công nghệ Nhật báo Trung Quốc nhận xét: "Đây là một trong những đột phá quan trọng về pin hạt nhân trong những thập kỷ gần đây". Nghiên cứu không chỉ giải quyết nhu cầu chiến lược và an toàn về hạt nhân ở Trung Quốc, còn đưa ra cách tiếp cận mới trong việc sử dụng chất thải hạt nhân và nuclit actinide bên ngoài chu trình nhiên liệu hạt nhân.

Còn tờ SCMP đánh giá như sau: "Chu kỳ bán rã dài và phân rã alpha năng lượng cao của một số đồng vị biểu hiện dưới dạng độc tính phóng xạ của chất thải hạt nhân. Song những đồng vị này vẫn mang lại lợi thế về tuổi thọ dài và năng lượng cao".

Giáo sư Vương Thù Ao là nhà khoa học Trung Quốc đạt nhiều thành tựu lớn trong dự án xử lý chất thải hạt nhân và nước thải, cùng với đó là nghiên cứu cách ứng phó khẩn cấp với các vụ tai nạn. Ông đã dành nhiều năm tập trung vào các nhu cầu chiến lược của Trung Quốc trong phát triển hạt nhân bền vững và an toàn.

Thắm Nguyễn