Pin hạt nhân quang học có tuổi thọ hàng thế kỷ

Theo nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature, nhóm chuyên gia tìm cách khai thác tia alpha giải phóng từ đồng vị phóng xạ phân rã, trong lĩnh vực mà phần lớn thành tựu tập trung vào phóng xạ beta.

Nhu cầu ngày càng tăng đối với những giải pháp năng lượng sạch và nguồn điện thay thế nhỏ tồn tại lâu dài dấy lên mối quan tâm đối với pin hạt nhân nhưng đồng vị phóng xạ alpha được xem như đối thủ lớn nhất đối với pin vi hạt nhân. Đó là vì năng lượng phân rã cao của đồng vị phóng xạ alpha, ở mức 4 - 6 mega electron volt (MeV) cung cấp tiềm năng vượt xa thiết bị sử dụng đồng vị phóng xạ beta. So với nó, năng lượng phân rã của đồng vị beta chỉ ở mức cao nhất là vài chục kiloelectron volt.

Tuy nhiên, hạt alpha mất năng lượng đáng kể thông qua hiệu ứng tự hấp thụ. Hiệu ứng này giảm mạnh công suất thực của pin vi hạt nhân đồng vị phóng xạ alpha trong các thử nghiệm tới mức thấp hơn nhiều dự đoán trên lý thuyết, theo trưởng nhóm nghiên cứu Wang Shuao ở Đại học Đông Ngô. Wang đã dành nhiều năm tập trung nhu cầu phát triển hạt nhân bền vững của Trung Quốc.

Cùng với nhóm nghiên cứu đến từ Viện Công nghệ Hạt nhân Tây Bắc và Đại học Tương Đàm, Wang thiết kế một loại pin hạt nhân có lớp tích hợp hoạt động giống pin quang điện để sử dụng tối ưu phóng xạ alpha. Các nhà nghiên cứu kết hợp bộ biến đổi năng lượng, một lớp polymer bao quanh đồng vị, truyền năng lượng giải phóng trong phóng xạ bằng cách biến đổi nó thành ánh sáng, sau đó thành điện, giống như tế bào quang điện. Chỉ sử dụng 11 micro curie từ đồng vị 243Am, tổ hợp này tạo ra phát quang phóng xạ từ tia alpha phát ra bởi quá trình phân rã.

Thí nghiệm sâu hơn xác định công suất điện của hoạt động phát quang là 11,88 nanowatt, với hiệu suất biến đổi năng lượng từ quá trình phân rã thành ánh sáng đạt 3,43%. Nhóm nghiên cứu Trung Quốc cho biết thiết bị pin hạt nhân quang điện biến đổi hoạt động phóng xạ thành năng lượng điện của họ có tuổi thọ cực dài và hoạt động không phụ thuộc vào biến động nhiệt độ. Theo bài báo, pin thí nghiệm có tổng hiệu suất biến đổi điện là 0,889% và sản sinh 139 microwatt/curie.

Các nhà nghiên cứu cho biết thiết kế đã được kiểm chứng qua thí nghiệm và kết quả kiểm tra cho thấy hiệu suất biến đổi năng lượng cao gấp 8.000 lần so với cấu trúc pin thông thường. Bộ biến đổi năng lượng cực kỳ ổn định với những thông số hiệu suất gần như không thay đổi qua 200 giờ hoạt động liên tục. Do chu kỳ bán rã của 243Am kéo dài vài thế kỷ, bộ pin cũng có tuổi thọ tương đương.

Đột phá trên không chỉ giải quyết nhu cầu lớn về phát triển hạt nhân bền vững và an toàn của Trung Quốc mà còn cung cấp giải pháp mới để tận dụng chất thải hạt nhân.