Pin hạt nhân quang điện có thể hoạt động hàng trăm năm: Đột phá quan trọng những thập kỷ gần đây
Các nhà khoa học Trung Quốc cho biết 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, hiệu suất tổng thể cao hơn hàng nghìn lần so với các đối thủ gần nhất.
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.
Được bình duyệt ngang hàng là một thuật ngữ để chỉ việc bài báo hoặc nghiên cứu được đánh giá và chấp nhận công bố bởi cộng đồng chuyên gia trong lĩnh vực tương ứng.
Bức xạ beta là một loại bức xạ hạt nhân, gồm các hạt beta. Hạt beta có thể là electron (β⁻) hoặc positron (β⁺). Khi hạt nhân nguyên tử không ổn định phân rã beta, nó sẽ phát ra một hạt beta cùng với một neutrino hoặc antineutrino.
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.
Bức xạ alpha là một loại bức xạ hạt nhân, gồm các hạt alpha. Hạt alpha thực chất là hạt nhân nguyên tử của heli, gồm 2 proton và 2 neutron. Khi hạt nhân nguyên tử không ổn định phân rã alpha, nó sẽ phóng ra một hạt 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.
243Am là một đồng vị phóng xạ nhân tạo của nguyên tố Americium. Nó được tạo ra trong các lò phản ứng hạt nhân bằng cách bắn phá các nguyên tố nặng hơn bằng neutron.
Đặc điểm chính của 243Am
Phóng xạ alpha: 243Am chủ yếu phân rã bằng cách phát ra hạt alpha. Hạt alpha là hạt nhân heli, gồm 2 proton và 2 neutron.
Thời gian bán rã: Thời gian bán rã của 243Am khá dài, khoảng 7370 năm. Điều này có nghĩa là sau 7370 năm, một nửa lượng 243Am ban đầu sẽ phân rã.
Ứng dụng
Nguồn bức xạ alpha: Do phát ra hạt alpha mạnh, 243Am được sử dụng làm nguồn bức xạ alpha trong các thiết bị đo lường, chẳng hạn máy dò khói.
Nghiên cứu: 243Am cũng được sử dụng trong các nghiên cứu về vật lý hạt nhân và hóa học phóng xạ.
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.
Nuclit actinide là một nhóm các nguyên tố hóa học có số hiệu nguyên tử từ 89 đến 103 trong bảng tuần hoàn, nằm ở cuối chu kỳ 7 và thuộc nhóm f.
Đặc điểm nổi bật của nuclit actinide
Phóng xạ: Tất cả các nuclit actinide đều phóng xạ, nghĩa là chúng tự phân rã thành các nguyên tố khác, đồng thời giải phóng năng lượng.
Kim loại: Chúng đều là kim loại nặng, có tính phản ứng cao và dễ bị oxy hóa trong không khí.
Ứng dụng
Năng lượng hạt nhân: Một số nuclit actinide như uranium và plutonium được sử dụng làm nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân và vũ khí hạt nhân.
Y học: Một số đồng vị phóng xạ của actinide được sử dụng trong y học để chẩn đoán và điều trị ung thư.
Nghiên cứu: Chúng được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về vật lý hạt nhân và hóa học phóng xạ.
Ví dụ về nuclit actinide
Uranium (U): Nguyên tố nổi tiếng nhất trong nhóm actinide, được sử dụng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân.
Plutonium (Pu): Được sử dụng để chế tạo vũ khí hạt nhân và làm nhiên liệu cho một số loại lò phản ứng hạt nhân.
Curium (Cm): Được sử dụng trong các thiết bị đo lường phóng xạ và như một nguồn neutron.
Americium (Am): Được sử dụng trong các máy dò khói.
Thách thức liên quan đến nuclit actinide
Chất thải hạt nhân: Các nuclit actinide là thành phần chính của chất thải hạt nhân, gây ra vấn đề về xử lý và lưu trữ do thời gian bán rã rất dài của chúng.
An toàn: Tính phóng xạ của actinide gây ra các mối nguy hiểm về sức khỏe nếu không được xử lý đúng cách.
Tóm lại, nuclit actinide là nhóm các nguyên tố hóa học có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là năng lượng hạt nhân. Tuy nhiên, tính phóng xạ và thời gian bán rã dài của chúng đặt ra những thách thức lớn trong việc sử dụng và quản lý.
