Pin hạt nhân Carbon-14 (C-14): Trung Quốc tuyên bố nó có thể hoạt động tới 5000 năm

Đại học Bristol và Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Anh (UKAEA) đã phát triển pin kim cương carbon-14 đầu tiên trên thế giới có khả năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong hàng nghìn năm.

Pin này sử dụng carbon-14, một đồng vị phóng xạ được biết đến trong phương pháp định tuổi bằng đồng vị phóng xạ cacbon. Carbon-14 được tạo ra từ các khối than chì được sử dụng làm chất điều tiết trong các nhà máy điện hạt nhân, và nghiên cứu của

Đại học Bristol đã phát hiện ra rằng carbon-14 tập trung trên bề mặt của các khối than chì này. Việc chiết xuất carbon-14 từ một lượng lớn khối than chì được lưu trữ ở Anh có thể loại bỏ hầu hết vật liệu phóng xạ, có khả năng giảm chi phí lưu trữ an toàn chất thải phóng xạ.

Nhóm nghiên cứu đã kết hợp carbon-14 được chiết xuất từ ​​các khối than chì vào kim cương để tạo ra pin năng lượng hạt nhân. Pin kim cương carbon-14 sử dụng sự phân rã phóng xạ của carbon-14 để tạo ra một lượng điện năng thấp, hoạt động tương tự như một tấm pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, nhưng thay vì thu nhận photon, nó thu nhận các electron chuyển động nhanh bên trong cấu trúc kim cương.

Pin kim cương có công suất đầu ra thấp, chỉ ở mức microwatt, nhưng vì chúng sử dụng carbon-14 với chu kỳ bán rã khoảng 5.700 năm, nên chúng có thể cung cấp năng lượng liên tục trong thời gian dài, an toàn và bền vững.

Trong khi bức xạ tầm ngắn phát ra từ carbon-14 nhanh chóng bị hấp thụ bởi bất kỳ vật liệu rắn nào và gây nguy hiểm nếu nuốt phải hoặc tiếp xúc trực tiếp với da, thì bức xạ tầm ngắn này không thể thoát ra ngoài nếu được chứa an toàn bên trong một viên kim cương.

Pin kim cương hứa hẹn được sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt mà trước đây việc thay thế pin là không thể, chẳng hạn như cung cấp năng lượng cho các thẻ RFID dùng để nhận dạng và theo dõi các thiết bị trên Trái đất hoặc trong không gian trong nhiều thập kỷ, từ đó giảm chi phí và kéo dài tuổi thọ.

Hơn nữa, trong các ứng dụng sáng tạo, pin kim cương tương thích sinh học dự kiến ​​sẽ được sử dụng trong các thiết bị y tế như cấy ghép mắt, máy trợ thính và máy tạo nhịp tim, giảm thiểu tần suất thay thế và gánh nặng cho bệnh nhân.

Tại Trung Quốc, Đại học Sư phạm Tây Bắc gần đây cũng đã công bố hai thành tựu cốt lõi: pin hạt nhân carbon-14 “Qianjiyuan Tianshu” và bộ chuyển đổi silicon carbide “Qianjiyuan Nengshu”.

Những thành tựu này đánh dấu bước tiến của Trung Quốc trong việc đạt được sự độc lập và kiểm soát công nghệ toàn diện trong lĩnh vực pin vi đồng vị, và đại diện cho một bước nhảy vọt quan trọng từ nghiên cứu và phát triển trong phòng thí nghiệm đến ứng dụng công nghiệp.

Pin hạt nhân thu nhỏ là một thiết bị nhỏ bé chuyển đổi năng lượng phân rã của một đồng vị phóng xạ thành năng lượng điện. Nó không cần nguồn năng lượng bên ngoài và không cần nạp nhiên liệu. Nguyên lý hoạt động của nó tương tự như pin mặt trời, chuyển đổi năng lượng phân rã thành năng lượng điện thông qua hiệu ứng điện áp bức xạ.

Công suất đầu ra của nó tập trung trong phạm vi nanowatt đến microwatt, thích hợp cho các kịch bản cảm biến thông tin công suất thấp như cung cấp năng lượng cho cảm biến và truyền tín hiệu. Nó không có khả năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị có công suất đầu ra vượt quá watt, chẳng hạn như điện thoại di động và thiết bị gia dụng.

Zhang Guanghui, tiến sĩ kiêm trưởng nhóm kỹ thuật đến từ Khoa Vật lý và Kỹ thuật Điện tử, Đại học Sư phạm Tây Bắc, giải thích: “Chức năng cốt lõi của pin hạt nhân carbon-14 là giải quyết vấn đề cung cấp năng lượng cho các cảm biến công suất thấp, tuổi thọ cao trong điều kiện khắc nghiệt.”

Vì carbon-14 có chu kỳ bán rã là 5730 năm, về mặt lý thuyết, pin hạt nhân carbon-14 có tuổi thọ cực dài, lên đến hàng nghìn năm. Hơn nữa, năng lượng và vận tốc của các hạt được giải phóng trong quá trình phân rã của nguồn phóng xạ không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất, trường điện từ và phản ứng hóa học bên ngoài, cho phép nó hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt như không gian sâu, biển sâu và vùng cực.

Pin hạt nhân bao gồm ba phần: nguồn phóng xạ, bộ chuyển đổi và cấu trúc bao bì. Bộ chuyển đổi là thành phần quan trọng nhất, đóng vai trò chủ chốt trong việc chuyển đổi năng lượng phân rã của nguồn phóng xạ thành năng lượng điện.

Bộ chuyển đổi silicon carbide do nhóm nghiên cứu tự phát triển tương thích với nhiều nguồn phóng xạ khác nhau, có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao và đã đạt đến trình độ tiên tiến quốc tế.

Vào tháng 3 năm 2025, nhóm nghiên cứu đã cho ra mắt nguyên mẫu pin hạt nhân carbon-14 đầu tiên của Trung Quốc, “Zhulong-1”. Dựa trên đó, pin hạt nhân carbon-14 “Qianjiyuan Tianshu” đã đạt được sự nâng cấp có hệ thống về thu nhỏ, công suất cao, chi phí thấp và tính tích hợp cao.

Sản phẩm mới đạt công suất đầu ra 1,13 microwatt trong thể tích 16,8 cm khối, giảm thể tích xuống còn 17% so với thế hệ trước, tăng mật độ công suất thể tích lên 15,5 lần, giảm lượng nguồn phóng xạ sử dụng xuống còn 22% so với thế hệ trước và giảm chi phí đáng kể.

Theo Tô Mậu Căn, giáo sư tại Trường Vật lý và Kỹ thuật Điện tử thuộc Đại học Sư phạm Tây Bắc và là trưởng nhóm nghiên cứu và phát triển, loạt thành tựu “Qianjiyuan” được công bố lần này đã đạt được năm đột phá công nghệ quan trọng, bao gồm công nghệ thích ứng nguồn phóng xạ, công nghệ bộ chuyển đổi năng lượng silicon carbide, công nghệ đóng gói xếp chồng ba chiều, công nghệ quản lý năng lượng thông minh và công nghệ cảm biến tự cấp nguồn không dây, và đã xây dựng một hệ thống công nghệ chuỗi hoàn chỉnh cho pin hạt nhân carbon-14 được sản xuất và điều khiển trong nước.

Được thúc đẩy bởi nhu cầu đảm bảo an ninh năng lượng và giảm phát thải carbon, thị trường điện hạt nhân toàn cầu đang bước vào giai đoạn mở rộng. Pin hạt nhân carbon-14 có ứng dụng rộng rãi trong thám hiểm biển sâu và không gian sâu, giám sát môi trường không người lái, IoT công nghiệp và thiết bị y tế cấy ghép.

Owleye – tổng hợp