‘Pháp sư Trung Hoa’ chế tạo thành công pin hạt nhân hiệu suất gấp 8.000 lần cấu trúc thông thường, có thể sử dụng trong hàng trăm năm

Theo kết quả nghiên cứu đăng tải trên Tạp chí Nature, pin hạt nhân mới này được phát triển dựa trên việc khai thác tia alpha giải phóng từ các đồng vị phóng xạ phân rã. Các đồng vị phóng xạ alpha đang được coi là ứng cử viên tiềm năng cho các loại pin vi hạt nhân, nhờ vào năng lượng phân rã cao đạt từ 4 đến 6 mega electron volt (MeV). Điều này cho thấy năng lượng từ tia alpha có thể vượt xa năng lượng từ đồng vị phóng xạ beta, mà mức cao nhất chỉ khoảng vài chục kiloelectron volt (KeV).

Mặc dù pin vi hạt nhân mới có hiệu suất cao, vẫn còn tồn tại một số hạn chế cần được khắc phục, trong đó vấn đề chính là khả năng thâm nhập ngắn của hạt alpha vào các chất rắn, khiến chúng mất nhiều năng lượng qua hiệu ứng tự hấp thụ. Giáo sư Vương Thù Ao, trưởng nhóm nghiên cứu đã giải thích rằng, hiệu ứng này làm giảm đáng kể công suất thực tế của pin vi hạt nhân so với lý thuyết.

Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế pin vi hạt nhân với lớp tích hợp hoạt động tương tự như pin mặt trời, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng bức xạ alpha. Họ đã kết hợp một bộ chuyển đổi năng lượng, bao gồm một lớp polymer bao quanh đồng vị, giúp truyền năng lượng giải phóng trong quá trình bức xạ. Quá trình này biến năng lượng thành ánh sáng và điện năng, tương tự như hoạt động của tế bào quang điện.

Trong một thí nghiệm, chỉ với 11 microcurie (μCi) của chất phóng xạ tổng hợp 243Am, nhóm nghiên cứu đã tạo ra ánh sáng từ tia alpha phát ra trong quá trình phân rã. Công suất phát quang được xác định là 11,88 nanowatt (nW), với hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ phân rã thành ánh sáng đạt 3,43%.

Nghiên cứu cho thấy, pin hạt nhân quang điện không chỉ có tuổi thọ cao mà còn hoạt động ổn định, không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ. Cụ thể, pin vi hạt nhân thử nghiệm có hiệu suất chuyển đổi điện năng đạt 0,889% và tạo ra 139 microwatt/curie.

Các kết quả từ nhóm nghiên cứu đã được xác minh một cách nghiêm ngặt qua lý thuyết và thực nghiệm, cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao gấp 8.000 lần so với cấu trúc pin thông thường. Bộ chuyển đổi năng lượng cũng thể hiện tính ổn định cao, với các thông số hiệu suất gần như không thay đổi sau hơn 200 giờ hoạt động liên tục. Nhờ chu kỳ bán rã của chất phóng xạ tổng hợp 243Am, pin vi hạt nhân này có thể tồn tại lên đến vài thế kỷ.

Tờ Khoa học và Công nghệ Nhật báo Trung Quốc nhận định rằng, đây là một trong những đột phá quan trọng về pin hạt nhân trong những thập kỷ gần đây. Nghiên cứu này không chỉ đáp ứng các nhu cầu chiến lược và an toàn hạt nhân tại Trung Quốc mà còn mở ra một hướng tiếp cận mới trong việc sử dụng chất thải hạt nhân và nuclit actinide ngoài chu trình nhiên liệu hạt nhân.

Tương tự, tờ SCMP cũng đánh giá cao công trình này, nhấn mạnh rằng chu kỳ bán rã dài và phân rã alpha năng lượng cao của một số đồng vị mang lại lợi thế về tuổi thọ dài và năng lượng cao, mặc dù đi kèm với độc tính phóng xạ.

Giáo sư Vương Thù Ao là một trong những nhà khoa học hàng đầu tại Trung Quốc, nổi tiếng với nhiều thành tựu trong lĩnh vực xử lý chất thải hạt nhân và nghiên cứu ứng phó khẩn cấp với các sự cố hạt nhân. Ông đã dành nhiều năm tập trung vào việc phát triển năng lượng hạt nhân bền vững và an toàn cho tương lai của Trung Quốc.