“Lò vi sóng khổng lồ” có thể biến rác thải phóng xạ tồn tại suốt 100.000 năm thành nguồn điện sạch

Một giải pháp “một công đôi việc”: vừa xử lý chất thải nguy hại, vừa tạo ra năng lượng phục vụ sạc điện

Trong nỗ lực định hình lại tương lai của ngành năng lượng hạt nhân, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Thomas Jefferson đang thúc đẩy hai dự án trọng điểm nhằm cải tiến Hệ thống Thúc đẩy bằng Máy gia tốc (ADS). Với khoản tài trợ 8,17 triệu USD từ chương trình NEWTON của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, sáng kiến này mở ra hướng tiếp cận mới: thay vì xem nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng là gánh nặng phải lưu trữ lâu dài, các nhà khoa học tìm cách tái chế chúng thành nguồn nguyên liệu tạo ra điện năng.

Trọng tâm của công nghệ này nằm ở khả năng giải quyết vấn đề rác thải hạt nhân lâu nay vẫn gây đau đầu. Hệ thống ADS hoạt động bằng cách dùng máy gia tốc bắn các proton năng lượng cao vào mục tiêu kim loại nặng, thường là thủy ngân lỏng, kích hoạt quá trình vật lý gọi là “spallation”, tạm hiểu là “phá vỡ”. Quá trình này tạo ra dòng neutron cường độ mạnh, tương tác trực tiếp với những đồng vị phóng xạ có tuổi thọ dài trong chất thải.

Nhờ cơ chế đó, hệ thống không chỉ “thiêu hủy” các thành phần nguy hiểm nhất mà còn sinh ra lượng nhiệt lớn để phát điện. Nếu nhiên liệu hạt nhân chưa xử lý cần được lưu trữ an toàn tới 100.000 năm, thì sau khi tái chế qua ADS, thời gian này có thể giảm xuống chỉ còn khoảng 300 năm – mức hoàn toàn có thể quản lý trong phạm vi kiểm soát của con người.

Dẫu vậy, để biến ADS từ khái niệm nghiên cứu thành công nghệ thương mại thực tế, Phòng thí nghiệm Jefferson vẫn phải vượt qua hai thách thức kỹ thuật lớn: hiệu suất và chi phí vận hành. Các hệ thống máy gia tốc truyền thống thường cần cơ chế làm mát siêu lạnh cực kỳ tốn kém để duy trì trạng thái siêu dẫn.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu do ông Rongli Geng đứng đầu đã tiên phong áp dụng lớp phủ hợp chất thiếc-niobi lên bề mặt các khoang gia tốc. Bước tiến này cho phép hệ thống hoạt động ở mức nhiệt cao hơn, nhờ đó có thể thay thế các nhà máy làm lạnh siêu lạnh quy mô lớn bằng những thiết bị làm mát thương mại tiêu chuẩn, góp phần giảm đáng kể chi phí vận hành cho các nhà máy điện trong tương lai.

Bên cạnh việc nâng cấp công nghệ làm mát, các nhà khoa học còn triển khai một ý tưởng táo bạo: biến magnetron – linh kiện quen thuộc trong lò vi sóng gia đình – thành nguồn cung năng lượng chính cho máy gia tốc. Thách thức lớn nằm ở việc phải đồng bộ năng lượng ở tần số cực kỳ chính xác 805 Megahertz để tạo ra công suất 10 Megawatt cần thiết cho hệ thống.

Nhờ sự hợp tác chặt chẽ với các đối tác công nghiệp như Stellant Systems, dự án đang từng bước hiện thực hóa việc kết hợp các cụm magnetron tiên tiến nhằm đạt tới mức công suất khổng lồ với hiệu suất cao. Qua đó, những thiết bị gia dụng quen thuộc được chuyển hóa thành công cụ phục vụ cho lĩnh vực vật lý năng lượng cao.

Tầm nhìn của chương trình NEWTON không chỉ dừng lại ở phạm vi nghiên cứu khi đặt mục tiêu tái chế toàn bộ lượng nhiên liệu hạt nhân thương mại của Mỹ trong vòng 30 năm tới. Việc thu hút các doanh nghiệp lớn như General Atomics hay RadiaBeam tham gia ngay từ giai đoạn đầu giúp Phòng thí nghiệm Jefferson đảm bảo công nghệ này có thể nhanh chóng chuyển từ phòng thí nghiệm sang sản xuất công nghiệp quy mô lớn.

Đây được xem là bước ngoặt mang tính cách mạng khi biến loại rác thải nguy hiểm thành nguồn năng lượng xanh, đóng góp trực tiếp cho hệ thống lưới điện quốc gia.