Pin hạt nhân quang điện có thể hoạt động hàng trăm năm: Đột phá quan trọng những thập kỷ gần đây

Theo bài báo được công bố trên tạp chí Nature được bình duyệt ngang hàng, các nhà nghiên cứu đang tìm cách khai thác các tia alpha phát ra từ sự phân rã của đồng vị phóng xạ, trong một lĩnh vực mà hầu hết tiến bộ tập trung vào bức xạ beta.

Nhu cầu ngày càng tăng với các giải pháp năng lượng sạch và những nguồn điện thay thế nhỏ, lâu dài đã khơi dậy sự quan tâm nghiên cứu rộng rãi về pin hạt nhân, nhưng đồng vị phóng xạ alpha được coi là ứng cử viên có nhiều khả năng nhất cho pin hạt nhân siêu nhỏ.

Điều này là do năng lượng phân rã cao của đồng vị phóng xạ alpha, từ 4 đến 6 mega electron volt (MeV), có tiềm năng vượt xa các thiết bị đồng vị phóng xạ beta, có năng lượng phân rã tốt nhất là vài chục kiloelectron volt (keV). Tuy nhiên, với khả năng thâm nhập cực ngắn vào chất rắn, các hạt alpha mất năng lượng đáng kể thông qua hiệu ứng tự hấp thụ.

"Sự tự hấp thụ này làm giảm đáng kể công suất đầu ra thực tế của các pin hạt nhân siêu nhỏ đồng vị phóng xạ alpha đã được thử nghiệm xuống mức thấp hơn nhiều so với kỳ vọng lý thuyết", Wang Shuao, tác giả chính của nghiên cứu từ Đại học Tô Châu (Trung Quốc), cho biết. Wang Shuao có thành tích đáng kể trong việc xử lý chất thải hạt nhân và nước thải cũng như các quy trình ứng phó khẩn cấp cho các vụ tai nạn.

Ông đã dành nhiều năm tập trung vào các nhu cầu chiến lược của Trung Quốc về phát triển hạt nhân bền vững và an toàn.

Hiện nay, cùng với một nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Hạt nhân Tây Bắc và Đại học Tương Đàm (Trung Quốc), Wang Shuao đã thiết kế loại pin hạt nhân có một lớp tích hợp hoạt động giống tấm pin Mặt trời để sử dụng tối ưu bức xạ alpha.

Nhóm nghiên cứu đã kết hợp một "bộ chuyển đổi năng lượng tích hợp", lớp polymer bao quanh các đồng vị truyền năng lượng được giải phóng trong quá trình bức xạ bằng cách chuyển đổi nó thành ánh sáng và sau đó là điện, giống một tế bào quang điện.

Theo bài báo, chỉ sử dụng 11 microcurie của hóa chất phóng xạ tổng hợp 243Am, cụm lắp ráp này đã tạo ra sự phát quang vô tuyến có thể nhìn thấy được từ tia alpha phát ra từ quá trình phân rã của đồng vị này. Microcurie (viết tắt là μCi) là đơn vị đo hoạt độ phóng xạ, được sử dụng để đo lượng chất phóng xạ trong một mẫu vật.

Bài báo cho biết các thí nghiệm tiếp theo đã xác định rằng công suất phát quang là 11,88 nanowatt, với hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ phân rã thành ánh sáng đạt tới mức ấn tượng là 3,43%.

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc cho biết thiết bị của họ, một loại pin hạt nhân quang điện, chuyển đổi phóng xạ thành năng lượng điện, có tuổi thọ cực kỳ dài và hoạt động độc lập với sự biến đổi nhiệt độ.

Theo bài báo, pin thử nghiệm tự hào có hiệu suất chuyển đổi năng lượng tổng thể là 0,889% và tạo ra 139 microwatt trên mỗi curie.

Các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển ra loại pin chạy bằng năng lượng hạt nhân với một tế bào quang điện có thể tạo ra điện trong hàng trăm năm - Ảnh: SCMP

Các nhà nghiên cứu cho biết thiết kế đã được xác thực nghiêm ngặt thông qua thử nghiệm thực nghiệm và lý thuyết cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng tăng gấp 8.000 lần so với các kiến trúc pin thông thường.

Theo bài báo, bộ chuyển đổi năng lượng này cực kỳ ổn định, với các thông số hiệu suất gần như không thay đổi trong hơn 200 giờ hoạt động liên tục. Vì chu kỳ bán rã của 243Am kéo dài trong nhiều thế kỷ nên pin có thể có tuổi thọ tương đương.

Tờ báo Khoa học và Công nghệ Nhật báo của Trung Quốc ca ngợi thành tựu này là "một trong những đột phá quan trọng trong lĩnh vực pin hạt nhân những thập kỷ gần đây".

Tờ Khoa học và Công nghệ Nhật báo cho biết bước đột phá này không chỉ giải quyết các nhu cầu chiến lược lớn về an toàn hạt nhân và phát triển hạt nhân bền vững của Trung Quốc mà còn đưa ra một cách tiếp cận mới với việc sử dụng tài nguyên từ chất thải hạt nhân.

Chu kỳ bán rã cực kỳ dài và sự phân rã alpha năng lượng cao của một số đồng vị biểu hiện dưới dạng độc tính phóng xạ lâu dài của chất thải hạt nhân. Song với tư cách là một nguồn năng lượng, các đồng vị này mang lại lợi thế về tuổi thọ dài và năng lượng cao.

"Thành tựu này là một trong những đột phá quan trọng trong lĩnh vực pin hạt nhân những thập kỷ gần đây, mở ra những hướng đi mới cho việc sử dụng các nuclit actinide bên ngoài chu trình nhiên liệu hạt nhân", theo bài báo.

Sơn Vân