Mỹ phát triển công nghệ tái chế chất thải hạt nhân thành nhiên liệu hydro

Hiện tại, trên thế giới chưa có nhà máy điện hạt nhân nào hoạt động theo nguyên lý tổng hợp hạt nhân (phản ứng hợp hạch). Các nhà máy điện hạt nhân đều hoạt động trên nguyên lý phân hạch uranium để tạo ra nhiệt năng.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình kết hợp hai nguyên tử lại với nhau để giải phóng nhiệt, làm quay máy phát điện. Các máy phát điện sẽ đảm bảo cung cấp một lượng điện lớn gần như không phát thải. Do đó, về mặt lý thuyết, đây được coi là một trong những dạng năng lượng sạch nhất.

Các nhà máy điện hạt nhân hoạt động ngày nay dựa vào phản ứng phân hạch hạt nhân, tạo ra năng lượng, nhưng cũng có rất nhiều chất thải hạt nhân được tạo ra vẫn có tính phóng xạ trong nhiều năm.

Chất thải hạt nhân từ các nhà máy điện hạt nhân rất khó xử lý và việc bảo quản cực kỳ tốn kém.

Ngược lại, quá trình tổng hợp hạt nhân, cung cấp năng lượng cho các ngôi sao trong vũ trụ, sẽ tạo ra rất ít chất thải phóng xạ ở giai đoạn cuối. Quá trình này đòi hỏi sự hợp nhất của deuterium và tritium.

Nhân loại đã có những bước tiến quan trọng trong việc kiểm soát năng lượng của quá trình hợp hạch, nhà máy điện hạt nhân của OpenAI đang xây dựng tại bang Ohio Mỹ là một trong số đó. Tuy nhiên, đều khó hơn nữa đó chính là nguyên liệu tritium cần thiết cho phản ứng hợp hạch.

Mặc dù deuterium có sẵn, nhưng hiện tại Mỹ đang rất thiếu hụt tritium. Terence Tarnowsky, một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (LANL), tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Hiện tại, giá trị của tritium thương mại là khoảng 15 triệu USD một pound [33 triệu USD một kg] và Mỹ không có khả năng trong nước để tạo ra nó”.

Tritium cho lò phản ứng tổng hợp hạt nhân Tritium được tìm thấy tự nhiên trong tầng khí quyển trên, và các lò phản ứng ở Canada là nơi sản xuất thương mại chính của nó.

Trong một thông cáo báo chí, Tarnowsky cho biết tổng lượng tritium tồn kho hiện tại trên hành tinh là khoảng 55 cộng hoặc trừ 31 pound [25 cộng hoặc trừ 14 kg].

Theo ước tính của ông Tarnowsky, 25 kg đủ để cung cấp điện cho hơn 500.000 ngôi nhà trong sáu tháng. "Con số này còn lớn hơn cả số nhà ở tại Washington, DC."

Trong khi đó, Mỹ có hàng ngàn tấn chất thải hạt nhân từ các nhà máy điện hạt nhân thương mại. Chúng chứa các vật liệu phóng xạ cao, đòi hỏi phải lưu trữ tốn kém để bảo quản an toàn.

Do đó, các nhà khoa học đã nhìn thấy cơ hội để đánh giá tính khả thi của việc sử dụng chất thải hạt nhân vẫn còn phóng xạ để tạo ra tritium có giá trị. Các mô phỏng cho thấy chất thải hạt nhân có thể là một nguồn tốt, Tarnowsky đã tiến hành nhiều mô phỏng máy tính về các lò phản ứng tritium tiềm năng để đánh giá hiệu suất sản xuất và năng lượng của thiết kế.

Theo thông cáo báo chí, khi các nguyên tử phân chia trong quá trình mô phỏng, chúng giải phóng neutron và cuối cùng tạo ra tritium sau một loạt các quá trình chuyển đổi hạt nhân khác.

Tính năng tăng tốc sẽ cho phép người vận hành bật hoặc tắt các phản ứng này và được coi là an toàn hơn so với các phản ứng dây chuyền diễn ra trong một nhà máy điện hạt nhân thông thường.

Máy gia tốc bắn phá các thành phần phóng xạ trong chất thải hạt nhân, giải phóng neutron để tạo ra tritium. Minh họa: GenAI

Theo ước tính, hệ thống lý thuyết này chạy bằng 1 GW năng lượng có thể sản xuất khoảng 2 kg tritium mỗi năm. Ông dự đoán rằng thiết kế này sẽ sản xuất lượng tritium gấp hơn 10 lần so với lò phản ứng nhiệt hạch ở cùng công suất nhiệt.

Kế hoạch tiếp theo của nhà khoa học này là tính toán chi phí sản xuất tritium sau khi ông có những tính toán chi tiết hơn về hiệu suất của lò phản ứng. Các mô phỏng cũng sẽ được tinh chỉnh để đánh giá chính xác hiệu quả và độ an toàn của thiết kế lò phản ứng.

Tarnowsky cũng có kế hoạch phát triển mã mới cho mô hình bao quanh chất thải hạt nhân bằng muối lithium nóng chảy, một thiết kế đã được thiết lập cho lò phản ứng sử dụng nhiên liệu uranium chỉ được sử dụng cho các thí nghiệm khoa học.

Tarnowsky cho biết: “Chuyển đổi năng lượng là một công việc tốn kém và bất cứ khi nào có thể làm cho nó dễ dàng hơn, chúng ta nên thử”. Hiện nay, có nhiều công ty đang theo đuổi việc xây dựng nhà máy điện tổng hợp hạt nhân thương mại đầu tiên tại Hoa Kỳ và trên toàn cầu.

Nếu thiết kế này được hoàn thiện, nó có thể cung cấp điện cho các lò phản ứng tổng hợp trong tương lai và đảm bảo quá trình chuyển đổi năng lượng ít phát thải hơn.

Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos và Cơ quan an ninh hạt nhân quốc gia Mỹ đã tài trợ cho nghiên cứu này. Nhà khoa học sẽ trình bày kết quả của mình tại cuộc họp mùa thu của Hiệp hội Hóa học diễn ra từ ngày 17 đến ngày 21 tháng 8.