Chất thải hạt nhân có thể cung cấp nhiên liệu tritium cho các lò phản ứng tổng hợp trong tương lai

Năng lượng nhiệt hạch, hay phản ứng tổng hợp hạt nhân, từ lâu đã được xem là chén thánh của ngành năng lượng, hứa hẹn một tương lai với nguồn năng lượng vô tận, sạch và an toàn. Tuy nhiên, trên con đường hiện thực hóa giấc mơ này, các nhà khoa học đang phải đối mặt với một thách thức không hề nhỏ: sự thiếu hụt nghiêm trọng của tritium, một trong những loại nhiên liệu chính cho lò phản ứng.

Nhưng giờ đây, một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (LANL) đã đưa ra một giải pháp táo bạo và đầy phản trực giác: sử dụng chất thải từ các lò phản ứng phân hạch để sản xuất tritium.

Bức tranh toàn cảnh về nhiên liệu nhiệt hạch

Để hiểu rõ hơn về vấn đề, chúng ta cần nhìn vào cách thức hoạt động của năng lượng nhiệt hạch. Khác với phản ứng phân hạch giải phóng năng lượng bằng cách tách các nguyên tử nặng như uranium, nhiệt hạch hoạt động bằng cách kết hợp các nguyên tử hydro để tạo thành heli.

Tuy nhiên, các lò phản ứng nhiệt hạch mà chúng ta đang phát triển không sử dụng hydro thông thường, mà cần đến hai đồng vị nặng của nó là deuterium và tritium.

Deuterium tương đối hiếm trong đại dương nhưng trữ lượng lại khổng lồ, đủ để chúng ta khai thác trong hàng triệu năm. Ngược lại, tritium lại cực kỳ hiếm. Trữ lượng toàn cầu hiện nay chỉ khoảng 55 pound (25 kg), một con số nhỏ bé đến mức khó tin.

Với giá bán lẻ lên tới 15 triệu đô la Mỹ mỗi pound, tritium trở thành một trong những vật liệu đắt đỏ nhất hành tinh. Nguồn cung thương mại chính hiện nay chỉ đến từ các lò phản ứng phân hạch ở Canada, một con số không đủ để đáp ứng nhu cầu khổng lồ khi năng lượng nhiệt hạch được thương mại hóa.

Chỉ cần 14,61 kg tritium đã đủ để cung cấp năng lượng cho một triệu hộ gia đình Mỹ trong một năm. Như vậy, toàn bộ trữ lượng tritium hiện có chỉ có thể vận hành một nền kinh tế nhỏ trong một thời gian ngắn.

Giải pháp táo bạo từ chất thải hạt nhân

Trước tình trạng thiếu hụt này, Terence Tarnowsky, nhà vật lý tại Los Alamos, đã đề xuất một ý tưởng đã tồn tại từ lâu nhưng giờ đây mới có thể trở nên khả thi: sử dụng hàng nghìn tấn chất thải hạt nhân từ các lò phản ứng phân hạch làm nguồn cung cấp tritium.

Phương pháp này bao gồm việc xử lý chất thải hạt nhân, sau đó bọc chúng trong muối lithium nóng chảy và bắn phá chúng bằng các hạt năng lượng cao từ một máy gia tốc tuyến tính siêu dẫn.

Quá trình này sẽ kích hoạt một loạt các phản ứng hạt nhân, trong đó các nguyên tử phân tách trong một quá trình gọi là va chạm, giải phóng một lượng lớn neutron. Các neutron này sau đó sẽ tương tác với lithium để cuối cùng tạo ra tritium.

Một trong những điểm cộng lớn nhất của phương pháp này là nó hoạt động ở trạng thái dưới tới hạn, có nghĩa là phản ứng hạt nhân chỉ xảy ra khi máy gia tốc được bật. Điều này khiến quá trình này cực kỳ an toàn, vì nó không thể tự duy trì và thoát khỏi tầm kiểm soát.

Tarnowsky ước tính rằng phương pháp này có hiệu suất cao, với một lò phản ứng công suất một gigawatt có thể sản xuất đủ lượng tritium mỗi năm để cung cấp cho 800.000 hộ gia đình, tương đương với khả năng của một lò phản ứng nhiệt hạch có cùng công suất nhiệt. Điều này cho thấy tiềm năng to lớn của việc biến chất thải hạt nhân thành một nguồn tài nguyên quý giá.

Hướng đến một tương lai bền vững

Việc tìm ra một nguồn cung cấp tritium ổn định và an toàn là bước đi then chốt để đưa năng lượng nhiệt hạch từ phòng thí nghiệm ra đời thực. Ý tưởng của Tarnowsky không chỉ giải quyết được nút thắt cổ chai về nhiên liệu mà còn mang lại một giải pháp tiềm năng cho vấn đề xử lý chất thải hạt nhân, vốn là một trong những thách thức môi trường lớn nhất của nhân loại.

Tại cuộc họp mùa thu của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, Tarnowsky đã trình bày chi tiết về công trình của mình, nhấn mạnh rằng "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".

Đây không chỉ là một giải pháp kỹ thuật, mà còn là một minh chứng cho sự sáng tạo của con người trong việc tìm kiếm các con đường mới để giải quyết những thách thức lớn. Việc biến chất thải độc hại thành một nguồn năng lượng cho tương lai có thể là một trong những câu chuyện thành công vĩ đại nhất của khoa học hiện đại.