Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Nhật Bản đã phát triển một loại Pin công nghệ mới được gọi là “pin sạc uranium” đầu tiên trên thế giới. Công nghệ Pin này đã được xác hiệu suất sử dụng thông qua các cuộc thí nghiệm và nghiên cứu. Ở Hàn Quốc, các nhà nghiên cứu cũng đã phát triển một nguyên mẫu pin betavoltaic sử dụng năng lượng từ đồng vị carbon-14.
Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Nhật Bản (JAEA) cho biết, pin lưu trữ uranium sử dụng uranium nghèo (DU) làm vật liệu hoạt động điện cực âm và sắt làm vật liệu điện cực dương. Điện áp một cell của pin sạc uranium nguyên mẫu là 1,3 vol, gần bằng điện áp của pin kiềm thông thường (1,5 vol). Pin đã được sạc và xả 10 lần, hiệu suất của pin hầu như không thay đổi, cho thấy đặc tính chu kỳ tương đối ổn định. Để sử dụng DU làm nguồn tài nguyên mới, khái niệm về pin sạc sử dụng uranium làm vật liệu hoạt động đã được đề xuất vào đầu những năm 2000. Tuy nhiên, không có nghiên cứu nào báo cáo về hiệu suất cụ thể của pin sạc uranium đã lắp ráp. JAEA cho biết: nếu pin sạc uranium được tăng dung lượng và đưa vào sử dụng thực tế, thì lượng lớn DU được lưu trữ tại Nhật Bản sẽ trở thành nguồn tài nguyên mới để kiểm soát đầu ra trong cơ cấu năng lượng cung cấp điện có nguồn gốc từ năng lượng tái tạo, qua đó góp phần hiện thực hóa một xã hội không phát thải carbon.
Theo JAEA, hiện có khoảng 16.000 tấn uranium nghèo được lưu trữ tại Nhật Bản và khoảng 1,6 triệu tấn uranium được lưu trữ trên toàn thế giới. JAEA cho biết hiện họ đang hướng tới mục tiêu tăng công suất của pin lưu trữ uranium (lượng điện mà chúng có thể lưu trữ) bằng cách tuần hoàn chất điện phân. JAEA sẽ xem xét liệu có thể tăng công suất bằng cách tăng lượng chất điện phân tuần hoàn và nồng độ uranium và sắt hay không, và vật liệu tối ưu cho các điện cực và màng tạo nên pin lưu trữ là gì. Nếu JAEA thành công trong việc tăng công suất của pin lưu trữ uranium và đưa chúng vào sử dụng thực tế và triển khai trong xã hội bằng cách sử dụng uranium nghèo được lưu trữ tại Nhật Bản, có thể mong đợi công nghệ này sẽ đóng vai trò mới như điều chỉnh cung và cầu cho các nhà máy điện mặt trời lớn.
Nhu cầu về pin sạc đã tăng lên trong những năm gần đây khi các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng được đưa vào sử dụng. Việc phát điện từ năng lượng mặt trời, gió và các nguồn khác bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết và có tính không ổn định của việc phát điện không ổn định. Để ổn định nguồn cung cấp điện trong tình huống này, cần phải kiểm soát đầu ra thông qua các thiết bị lưu trữ năng lượng như pin sạc và việc phát triển các công nghệ lưu trữ năng lượng mới đang thu hút sự chú ý.
Trong khi đó, các nhà nghiên cứu Hàn Quốc đang xem xét carbon phóng xạ như một nguồn pin hạt nhân an toàn, nhỏ và giá cả phải chăng có thể sử dụng trong nhiều thập kỷ hoặc lâu hơn mà không cần sạc. Su-Il In, một giáo sư tại Viện Khoa học & Công nghệ Daegu Gyeongbuk, đã trình bày kết quả tại cuộc họp của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, được tổ chức từ ngày 23 đến 27/3/2025. Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc, cũng như Chương trình Nghiên cứu & Phát triển của Viện Khoa học & Công nghệ Daegu Gyeongbuk thuộc Bộ Khoa học và Công nghệ Thông tin và Truyền thông Hàn Quốc. Với số lượng thiết bị kết nối, trung tâm dữ liệu và các công nghệ máy tính khác ngày càng tăng, nhu cầu về pin lâu dài đang tăng lên. Tuy nhiên, ông cho biết hiệu suất của pin lithium-ion (Li-ion) “gần như bão hòa”. Do đó, nhóm của ông đang phát triển pin hạt nhân thay thế cho lithium.
Các nhà nghiên cứu đã sản xuất một mẫu pin betavoltaic với carbon-14, một dạng carbon không ổn định và có tính phóng xạ, được gọi là carbon phóng xạ. Các nhà khoa học Hàn Quốc đã quyết định sử dụng một đồng vị phóng xạ của carbon vì nó chỉ tạo ra tia beta. Hơn nữa, là một sản phẩm phụ từ các nhà máy điện hạt nhân, carbon phóng xạ không đắt, dễ kiếm và dễ tái chế. Và vì carbon phóng xạ phân hủy rất chậm, nên về mặt lý thuyết, pin chạy bằng carbon phóng xạ có thể tồn tại trong hàng thiên niên kỷ.
Để cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi năng lượng của thiết kế mới, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chất bán dẫn gốc titanium dioxide, một vật liệu thường được sử dụng trong pin mặt trời, được làm nhạy bằng thuốc gốc ruthenium. Họ tăng cường liên kết giữa titanium dioxide và thuốc nhuộm bằng cách xử lý bằng axit citric. Khi tia beta từ carbon phóng xạ va chạm với thuốc nhuộm gốc ruthenium đã xử lý, một loạt phản ứng truyền electron, được gọi là tuyết lở electron sẽ xảy ra. Sau đó, tuyết lở di chuyển qua titanium dioxide thu thập hiệu quả các electron được tạo ra. Pin mới cũng có carbon phóng xạ trong cực dương và cực âm được làm nhạy. Bằng cách xử lý cả hai điện cực bằng đồng vị phóng xạ, các nhà nghiên cứu đã tăng lượng tia beta được tạo ra và giảm tổn thất năng lượng bức xạ beta liên quan đến khoảng cách giữa hai cấu trúc.
Trong quá trình trình diễn pin nguyên mẫu, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng tia beta phát ra từ cacbon phóng xạ trên cả hai điện cực kích hoạt thuốc gốc ruthenium trên cực dương để tạo ra một trận tuyết lở electron và được lớp titanium dioxide thu thập, truyền qua mạch ngoài tạo ra điện có thể sử dụng được. Những loại pin hạt nhân lâu dài này có thể cho phép nhiều ứng dụng. Chúng bao gồm cung cấp năng lượng cho các thiết bị cấy ghép, ứng dụng từ xa và vệ tinh. Ví dụ, máy tạo nhịp tim có thể tồn tại suốt đời, loại bỏ nhu cầu thay thế bằng phẫu thuật. Tuy nhiên, thiết kế betavoltaic này chỉ chuyển đổi một phần rất nhỏ sự phân rã phóng xạ thành năng lượng điện, dẫn đến hiệu suất thấp hơn so với pin Li-ion thông thường. Những nỗ lực tiếp theo để tối ưu hóa hình dạng của bộ phát tia beta và phát triển các bộ hấp thụ tia beta hiệu quả hơn có thể nâng cao hiệu suất của pin và tăng khả năng tạo ra điện.
Từ khóa: Pin hạt nhân;
– CMD –
