Pin hạt nhân Zhulong-1: Bước đột phá công nghệ với tuổi thọ hơn 100 năm

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Tây Bắc tỉnh Cam Túc Trung Quốc đã công bố Zhulong-1, loại pin hạt nhân có thể hoạt động liên tục hơn một thế kỷ mà không cần sạc lại. Sáng tạo này mở ra kỷ nguyên mới cho các thiết bị hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như máy tạo nhịp tim, tàu vũ trụ và cảm biến dưới biển sâu.

Công nghệ pin hạt nhân và cấu tạo Zhulong-1

Pin Zhulong-1 sử dụng công nghệ phản ứng hạt nhân mini với lõi chứa vật liệu phân hạch an toàn được bao bọc bởi lớp vỏ kim loại chịu nhiệt và chống xạ đặc biệt. Cấu tạo này cho phép pin duy trì phản ứng hạt nhân ổn định trong thời gian dài mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài hay can thiệp bảo trì. Khác với các nhà máy điện hạt nhân quy mô lớn, pin Zhulong-1 hoạt động ở mức năng lượng thấp đủ để cung cấp điện cho thiết bị nhỏ, đồng thời đảm bảo an toàn tuyệt đối nhờ các lớp vỏ bảo vệ nhiều lớp.

Về thông số kỹ thuật, Zhulong-1 có mật độ năng lượng cao hơn 10 lần so với pin lithium-ion thông thường hiện nay. Cai Dinglong, trưởng dự án từ Đại học Sư phạm Tây Bắc, cho biết pin được thiết kế với tuổi thọ 50 năm theo thông số kỹ thuật, nhưng các thử nghiệm cho thấy nó có thể duy trì hoạt động ổn định hơn 100 năm. Tỷ lệ suy giảm hiệu suất của pin dưới 5% trong suốt 50 năm đầu sử dụng là con số ấn tượng so với các loại pin thông thường thường mất 20-30% công suất chỉ sau 3-5 năm hoạt động.

Kích thước hiện tại của Zhulong-1 tương đương một viên pin AA, đủ nhỏ để tích hợp vào nhiều thiết bị y tế và khoa học. Cấu tạo gồm lõi hạt nhân phát nhiệt, bộ chuyển đổi nhiệt điện và hệ thống tản nhiệt tích hợp, tất cả được thiết kế để hoạt động như một hệ thống kín hoàn toàn. Lớp vỏ ngoài bằng hợp kim titanium chịu nhiệt cao và chống ăn mòn, giúp pin chịu đựng được môi trường khắc nghiệt mà không bị hỏng.

Khả năng vận hành trong môi trường khắc nghiệt

Zhulong-1 được thiết kế để hoạt động trong dải nhiệt độ rộng từ âm 100 độ C đến 200 độ C, một phạm vi hoạt động vượt xa các loại pin thông thường hiện có. Lớp vỏ titanium đặc biệt không chỉ bảo vệ lõi hạt nhân mà còn giúp pin chịu được sự thay đổi nhiệt độ đột ngột, môi trường bức xạ mạnh và áp suất cao. Trong khi pin lithium-ion thường gặp vấn đề về giảm hiệu suất nghiêm trọng ở nhiệt độ dưới 0 độ C và nguy cơ cháy nổ ở nhiệt độ trên 60 độ C, Zhulong-1 duy trì công suất ổn định trong toàn bộ dải nhiệt độ thiết kế.

So sánh cụ thể về hiệu suất, pin lithium-ion thường mất khoảng 50% công suất ở nhiệt độ -20 độ C và gần như không hoạt động ở -40 độ C. Ngược lại, Zhulong-1 vẫn duy trì trên 95% công suất ở -100 độ C nhờ cơ chế hoạt động dựa trên phản ứng hạt nhân không phụ thuộc vào phản ứng hóa học. Ở nhiệt độ cao 200 độ C, pin Zhulong-1 hoạt động bình trong khi pin lithium-ion thường bị hỏng vĩnh viễn hoặc gây nguy cơ cháy nổ nghiêm trọng.

Khả năng chịu áp suất và rung động của Zhulong-1 cũng vượt trội nhờ cấu trúc vỏ bọc rắn chắc. Các thử nghiệm cho thấy pin có thể chịu áp suất lên đến 10 MPa tương đương độ sâu 1000 mét dưới biển mà vẫn hoạt động ổn định. Đặc tính này làm cho Zhulong-1 trở thành lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị thăm dò biển sâu, tàu ngầm tự hành và cảm biến giám sát môi trường ở nơi khó tiếp cận. Khả năng chống chịu bức xạ ion hóa mạnh cũng cho phép pin hoạt động trong không gian mà không cần lớp bảo vệ bổ sung tốn kém.

Ứng dụng thực tế trong y tế và khoa học

Máy tạo nhịp tim cấy ghép là ứng dụng tiềm năng quan trọng nhất của Zhulong-1 trong lĩnh vực y tế. Hiện tại, các máy tạo nhịp tim sử dụng pin lithium-ion yêu cầu phẫu thuật thay thế mỗi 5-10 năm, gây tốn kém và rủi ro cho bệnh nhân, đặc biệt là người cao tuổi hoặc người có bệnh lý nền phức tạp. Với tuổi thọ hơn 100 năm, Zhulong-1 có thể kéo dài thời gian giữa các ca phẫu thuật thay pin xuống mức gần như vĩnh cửu, giúp giảm đáng kể gánh nặng về chi phí y tế và rủi ro phẫu thuật cho hàng triệu bệnh nhân trên toàn thế giới.

Trong lĩnh vực Khám Phá không gian, Zhulong-1 cung cấp giải pháp đáng tin cậy cho các tàu vũ trụ và vệ tinh hoạt động xa mặt trời. Các sứ mệnh không gian hiện tại như Voyager 1 và 2 sử dụng nguồn năng lượng nhiệt điện đồng vị (RTG) với kích thước và trọng lượng lớn, gây hạn chế về tải trọng hữu ích. Zhulong-1 với kích thước nhỏ gọn tương đương pin AA có thể thay thế hoặc bổ sung cho các nguồn năng lượng hiện có, giúp tàu vũ trụ mang theo nhiều thiết bị khoa học hơn hoặc giảm kích thước tổng thể của nhiệm vụ.

Các trạm thời tiết và thiết bị giám sát tại vùng cực, sa mạc hay dưới biển cũng là ứng dụng tiềm năng của công nghệ này. Các trạm thời tiết ở Nam Cực hiện nay sử dụng pin mặt trời kết hợp pin lưu trữ lithium-ion, nhưng mùa đông tối 6 tháng khiến việc nạp năng lượng gần như không thể. Zhulong-1 với khả năng hoạt động độc lập hoàn toàn khỏi ánh sáng mặt trời và nhiệt độ khắc nghiệt sẽ giúp duy trì hoạt động liên tục của các trạm này trong nhiều thập kỷ mà không cần bảo trì hay thay thế nguồn năng lượng.

Zhulong-2 và tương lai của công nghệ pin hạt nhân

Nhóm nghiên cứu đang phát triển Zhulong-2 với mục tiêu tối ưu hóa chi phí sản xuất và giảm kích thước của viên pin. Theo Cai Dinglong, thế hệ tiếp theo dự kiến có kích thước chỉ tương đương một đồng xu, giúp mở rộng khả năng ứng dụng sang các thiết bị nhỏ hơn như cảm biến y tế cấy ghép, thiết bị IoT và drone tầm xa. Việc giảm kích thước từ kích thước pin AA xuống đồng xu là thách thức lớn nhưng cần thiết để pin có thể cạnh tranh với các loại pin thông thường trong thị trường tiêu dùng.

Cải tiến trong Zhulong-2 sẽ tập trung vào vật liệu vỏ bọc nhẹ hơn như hợp kim nhôm-titanium composit, đồng thời tối ưu hóa quá trình chế tạo để giảm chi phí sản xuất xuống mức có thể chấp nhận cho thương mại hóa. Hiện tại chi phí sản xuất Zhulong-1 còn khá cao do quy trình chế biến phức tạp và vật liệu đặc biệt, nhưng việc mở rộng quy mô sản xuất sẽ giúp giảm giá thành đáng kể trong vài năm tới. Dự kiến Zhulong-2 sẽ ra mắt vào cuối năm 2026 hoặc đầu năm 2027, đánh dấu bước quan trọng trong việc đưa công nghệ pin hạt nhân vào thị trường đại chúng.

Thách thức lớn nhất cho việc thương mại hóa Zhulong-2 là các quy định về an toàn hạt nhân và kiểm soát vật liệu phân hạch. Pin Zhulong-1 và Zhulong-2 không nguy hiểm như các nhà máy điện hạt nhân, nhưng vẫn cần tuân thủ các quy định quốc tế về vận chuyển và xử lý vật liệu hạt nhân. Nhóm nghiên cứu đang làm việc với các cơ quan quản lý để thiết kế khung pháp lý cho việc sản xuất và phân loại loại pin này, đảm bảo an toàn cho người dùng và môi trường trong khi vẫn giữ được lợi thế về hiệu suất và tuổi thọ vượt trội.