Pin hạt nhân Zhulong-1: Công nghệ pin thế hệ mới hoạt động liên tục hơn một thế kỷ

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Tây Bắc, tỉnh Cam Túc, Trung Quốc, đã công bố pin hạt nhân Zhulong-1 vào ngày 13 tháng 3, mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ lưu trữ năng lượng. Pin này có thể hoạt động liên tục hơn 100 năm mà không cần sạc trong các môi trường khắc nghiệt như vùng cực lạnh giá hoặc biển sâu.

Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của pin hạt nhân Zhulong-1

Pin hạt nhân Zhulong-1 sử dụng công nghệ chuyển đổi năng lượng từ phân rã hạt nhân thành điện năng thông qua quá trình phân rã tự nhiên của các đồng vị phóng xạ. Khi hạt nhân phóng xaya phân rã, nó giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ alpha hoặc beta. Năng lượng này được các vật liệu bán dẫn chuyển đổi trực tiếp thành dòng điện một chiều, tạo ra nguồn điện ổn định và liên tục. Cơ chế này khác biệt hoàn toàn so với pin hóa học truyền thống dựa trên phản ứng oxy hóa khử, giúp loại bỏ vấn đề phai điện sau thời gian dài không sử dụng.

Cấu tạo của Zhulong-1 bao gồm ba thành phần chính: nguồn phóng xaya, bộ chuyển đổi năng lượng và lớp vỏ bảo vệ. Nguồn phóng xaya thường là các đồng vị như plutonium-238 hoặc americium-241 với chu kỳ bán rã dài, đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định trong nhiều thập kỷ. Bộ chuyển đổi năng lượng sử dụng các tế bào betavoltaic hoặc các vật liệu nhiệt điện để chuyển đổi bức xạ thành điện năng. Lớp vỏ bảo vệ được thiết kế từ hợp kim chịu nhiệt và chống xước, đồng thời ngăn chặn sự rò rỉ bức xaya ra môi trường bên ngoài, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người dùng và thiết bị.

Ứng dụng chính của pin hạt nhân Zhulong-1 tập trung vào các thiết bị y tế cấy ghép như máy tạo nhịp tim và cảm biến y tế nội soi, nơi việc thay pin định kỳ là không khả thi. Các thiết bị này cần nguồn điện ổn định trong suốt vòng đời bệnh nhân, thường từ 10-20 năm hoặc hơn. Zhulong-1 với khả năng hoạt động hơn 100 năm hoàn toàn đáp ứng yêu cầu này, giúp giảm đáng kể các ca phẫu thuật thay pin nguy hiểm. Ngoài ra, pin này còn được ứng dụng trong các trạm không gian, tàu vũ trụ và thiết bị giám sát môi trường ở vùng sâu vùng xa, nơi việc bảo trì và thay thế pin là điều gần như không thể.

Thông số kỹ thuật vượt trội so với pin lithium-ion truyền thống

Mật độ năng lượng của Zhulong-1 cao gấp 10 lần so với các loại pin lithium-ion thông dụng trên thị trường hiện nay. Trong khi pin lithium-ion tiêu chuẩn có mật độ năng lượng khoảng 250-270 Wh/kg, pin hạt nhân Zhulong-1 đạt con số ấn tượng hơn 2.500 Wh/kg, cho phép lưu trữ lượng năng lượng lớn hơn trong cùng một thể tích. Sự chênh lệch này mang lại ý nghĩa thực tế to lớn: với cùng một kích thước pin, thiết bị sử dụng Zhulong-1 có thể hoạt động trong thời gian dài hơn gấp 10 lần. Ví dụ, smartphone thông thường cần sạc hàng ngày với pin lithium-ion, nhưng nếu sử dụng công nghệ Zhulong-1, thiết bị có thể hoạt động trong nhiều năm trước khi cần sạc lại.

Tỷ lệ suy giảm hiệu suất của Zhulong-1 được kiểm soát ở mức dưới 5% trong suốt 50 năm tuổi thọ thiết kế, trong khi pin lithium-ion thường giảm 20-30% công suất sau 2-3 năm sử dụng. Pin lithium-ion trải qua quá trình lão hóa hóa học không thể đảo ngược, làm giảm dung lượng lưu trữ và hiệu suất tổng thể. Ngược lại, pin hạt nhân dựa trên quá trình phân rã hạt nhân với chu kỳ bán rã ổn định, cho phép duy trì hiệu suất gần như không đổi trong nhiều thập kỷ. Sự khác biệt này đặc biệt quan trọng với các ứng dụng quan trọng như máy tạo nhịp tim, nơi sự suy giảm hiệu suất pin có thể đe dọa tính mạng người bệnh.

Về chi phí toàn vòng đời, dù giá khởi điểm của Zhulong-1 cao hơn đáng kể so với pin lithium-ion, nhưng tính theo thời gian dài lại mang lại lợi thế kinh tế rõ rệt. Một máy tạo nhịp tim sử dụng pin lithium-ion yêu cầu phẫu thuật thay pin mỗi 5-7 năm, với chi phí khoảng 15-20 triệu đồng mỗi lần. Trong suốt vòng đời 50 năm của Zhulong-1, bệnh nhân sử dụng pin hạt nhân sẽ tiết kiệm được 10-15 ca phẫu thuật, tương đương 200-300 triệu đồng chi phí y tế và giảm đáng kể nguy cơ biến chứng sau mổ. Với các ứng dụng không gian, việc không cần thay thế pin trong suốt nhiệm vụ giúp tiết kiệm hàng trăm triệu USD chi phí phóng tên lửa và lắp đặt thiết bị mới.

Khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt

Zhulong-1 có thể hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ rộng từ âm 100 độ C đến 200 độ C, vượt xa khả năng chịu nhiệt của pin lithium-ion chỉ hoạt động tốt trong khoảng -20°C đến 60°C. Nhiệt độ dưới -20°C khiến pin lithium-ion giảm đáng kể công suất và có thể gây hư hỏng vĩnh viễn, trong khi nhiệt độ trên 60°C tăng nguy cơ quá nhiệt và cháy nổ. Khả năng chịu nhiệt của Zhulong-1 mở ra cơ hội ứng dụng trong các môi trường cực đoan như vùng cực Bắc Nam cực, nơi nhiệt độ có thể xuống tới -80°C, hoặc các lò nung công nghiệp với nhiệt độ cao. Các trạm nghiên cứu khoa học ở Nam Cực hiện nay gặp khó khăn lớn trong việc duy trì nguồn điện cho thiết bị do pin truyền thống nhanh chóng chết trong thời tiết lạnh khắc nghiệt.

Thiết kế vỏ bảo vệ của Zhulong-1 chịu được áp suất cực lớn, cho phép hoạt động ở độ sâu hàng nghìn mét dưới biển mà không bị hư hỏng. Pin lithium-ion thường bị vỡ hoặc rò rỉ điện giải khi chịu áp suất cao, gây nguy cơ cháy nổ và hư hỏng thiết bị. Các tàu ngầm, thiết bị thăm dò đáy biển và trạm quan sát địa chấn dưới biển hiện nay phải sử dụng các hệ thống pin phức tạp với vỏ chịu áp suất nặng nề, làm tăng chi phí và kích thước tổng thể. Zhulong-1 với thiết kế nhỏ gọn và khả năng chịu áp suất nội tại giúp giảm đáng kể kích thước và trọng lượng của các thiết bị này, đồng thời tăng độ tin cậy trong môi trường biển sâu khắc nghiệt.

Trong môi trường không gian, Zhulong-1 thể hiện ưu thế vượt trội nhờ khả năng chịu bức xạ vũ trụ và sự thay đổi nhiệt độ đột ngột. Pin lithium-ion trên vệ tinh và tàu vũ trụ phải được trang bị hệ thống bảo vệ phức tạp chống lại bức xạ vũ trụ, gây hỏng tế bào pin và giảm tuổi thọ. Vệ tinh Starlink hiện tại sử dụng pin lithium-ion với tuổi thọ khoảng 5 năm, yêu cầu thay thế vệ tinh định kỳ. Với Zhulong-1, vệ tinh có thể hoạt động liên tục trong suốt vòng đời thiết kế 20-30 năm mà không cần thay thế pin, giúp giảm đáng kể chi phí vận hành và rác thải không gian. Tàu vũ trụ thám hiểm Sao Hỏa cũng có thể hoạt động lâu hơn với nguồn năng lượng ổn định từ pin hạt nhân, thay vì phụ thuộc vào các tấm pin mặt trời có thể bị bụi đỏ che phủ.

Tương lai phát triển với thế hệ Zhulong-2

Nhóm nghiên cứu do ông Cai Dinglong dẫn đầu đang phát triển Zhulong-2, thế hệ pin hạt nhân thứ hai với mục tiêu tối ưu hóa chi phí sản xuất và giảm kích thước. Zhulong-2 dự kiến có kích thước chỉ tương đương một đồng xu, nhỏ hơn đáng kể so với thế hệ đầu tiên, mở ra khả năng ứng dụng trong các thiết bị di động và wearable technology. Sự thu nhỏ kích thước này đạt được nhờ cải tiến công nghệ chuyển đổi năng lượng và tối ưu hóa cấu trúc nguồn phóng xaya, cho phép giảm lượng vật liệu cần thiết trong khi duy trì hiệu suất tương tự. Nếu Zhulong-2 đạt được mục tiêu kích thước đồng xu, các thiết bị như smartwatch, tai nghe không dây và thiết bị theo dõi sức khỏe cá nhân có thể sử dụng nguồn năng lượng không cần sạc trọn đời người dùng.

Khung thời gian ra mắt dự kiến của Zhulong-2 vào cuối năm 2026 hoặc đầu năm 2027, đánh dấu bước tiến quan trọng trong thương mại hóa công nghệ pin hạt nhân. Sự phát triển nhanh chóng từ Zhulong-1 đến Zhulong-2 trong vòng chưa đầy một năm cho thấy cam kết của nhóm nghiên cứu trong việc đưa công nghệ này ra thị trường. Tuy nhiên, các thách thức về quy định an toàn phóng xaya và quy trình phê duyệt có thể làm chậm tiến độ thương mại hóa, đặc biệt là khi áp dụng cho sản phẩm tiêu dùng. Các quốc gia có quy định chặt chẽ về vật liệu phóng xaya như Mỹ và EU có thể yêu cầu quá trình kiểm định và phê duyệt kéo dài nhiều năm trước khi cho phép sử dụng công nghệ này trong sản phẩm thương mại.

Trong dài hạn, công nghệ pin hạt nhân có thể thay đổi hoàn toàn ngành công nghiệp lưu trữ năng lượng, đặc biệt với xu hướng phát triển Internet of Things và thiết bị thông minh. Theo dự báo của các chuyên gia, số lượng thiết bị IoT trên toàn cầu sẽ đạt 75 tỷ vào năm 2025, tạo ra nhu cầu khổng lồ về nguồn năng lượng bền vững và không cần bảo trì. Pin Zhulong với khả năng hoạt động trọn đời thiết bị giải quyết triệt để vấn đề này, giúp giảm thiểu hàng tỷ viên pin lithium-ion được thải ra môi trường mỗi năm. Thách thức lớn nhất hiện nay là giảm chi phí sản xuất Zhulong xuống mức chấp nhận được cho thị trường tiêu dùng, từ vài nghìn USD hiện nay xuống còn dưới 100 USD cho phiên bản Zhulong-2, tạo điều kiện cho ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày.

Câu hỏi thường gặp

Pin hạt nhân Zhulong-1 có an toàn cho sức khỏe con người không?

Zhulong-1 được thiết kế với lớp vỏ bảo vệ nhiều lớp ngăn chặn hoàn toàn sự rò rỉ bức xaya ra môi trường bên ngoài, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người dùng.