Liên minh nhà khoa học Nga tạo "cực phẩm hạt nhân" 1 thế kỷ mới hỏng: Bí mật ở đồng vị giá 4.000 USD/gram

Trong cuộc đua vươn tới những vì sao, năng lượng luôn là bài toán hóc búa nhất. Khi các tấm pin mặt trời trở nên "vô dụng" trong bóng tối lạnh giá của vũ trụ và pin hóa học truyền thống cạn kiệt chỉ sau vài năm, các nhà khoa học Nga đã tìm ra lời giải đột phá: Pin hạt nhân sử dụng đồng vị Nickel-63 (Ni-63) chạy liên tục 50-100 năm, Tạp chí chuyên về hạt nhân quốc tế thông tin tháng 3/2026.

Đây không chỉ là một linh kiện, mà là một "trái tim" bền bỉ có khả năng "đập" liên hồi lên đến 1 thế kỷ, bất chấp những điều kiện khắc nghiệt nhất mà con người từng biết tới.

Tác giả của công trình này là liên minh các nhà khoa học Nga đến từ Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NUST MISIS) ở Moscow, Viện Vật lý và Công nghệ Moscow (MIPT) và các công ty con của Tập đoàn Năng lượng Nguyên tử Nhà nước Nga Rosatom.

Pin Betavoltaic “siêu trường thọ” của Nga: Một thế kỷ mới hỏng

Theo Evgeniy Stepin từ Trung tâm Nghiên cứu và Công nghệ Vũ trụ thuộc Đại học Tổng hợp Nghiên cứu Hạt nhân Quốc gia (MEPhI, trụ sở tại Moscow), việc tạo ra các nguồn cung cấp năng lượng nhỏ gọn nhưng hiệu quả cho máy bay và hệ thống vũ trụ là ưu tiên hàng đầu của Nga. Trong đó đột phá quan trọng bậc nhất là pin hạt nhân (Betavoltaic).

Khác với các lò phản ứng hạt nhân khổng lồ tỏa nhiệt lượng lớn, pin hạt nhân của Nga hoạt động dựa trên hiệu ứng Beta-voltaic. Bí mật nằm ở đồng vị Nickel-63.

Khi các electron từ quá trình phân rã của Nickel đập vào các lớp bán dẫn đặc biệt, chúng tạo ra dòng điện trực tiếp. Vì Nickel-63 (Ni-63) có chu kỳ bán rã lên tới 100 năm, cho phép pin hoạt động trong 50 đến 100 năm (1 thế kỷ).

Mặc dù các nguyên mẫu Betavoltaic đã tồn tại từ năm 2016 tại Nga, những phát triển gần đây hướng đến việc mở rộng quy mô công nghiệp: Các chuyên gia từ MEPhI đã chỉ ra vào cuối năm 2023 rằng pin hạt nhân có thể được Nga sản xuất hàng loạt trong vòng 5-6 năm (2028–2029).

Các nguyên mẫu này năm 2016 tự hào có hiệu suất 3.300 milliwatt-giờ trên mỗi gram—gấp 10 lần năng lượng của pin hóa học.

Một gram Niken-63 phóng xạ có giá khoảng 4.000 USD

Trở ngại chính vẫn là chi phí cực kỳ cao của các đồng vị. Tính đến đầu năm 2026, một gam Nickel-63 phóng xạ có giá khoảng 4.000 USD.

Tuy nhiên, Tạp chí chuyên về hạt nhân quốc tế nhận định, Nga đã khẳng định vị thế dẫn đầu thế giới trong nghiên cứu pin hạt nhân, tập trung vào việc giảm đáng kể chi phí và tăng mật độ năng lượng thông qua sản xuất đồng vị trong nước và các thiết kế cấu trúc mới.

Riêng việc sản xuất đồng vị trong nước, để tạo ra Ni-63 tinh khiết là một quy trình làm giàu đồng vị cực kỳ tốn kém và phức tạp, đòi hỏi công nghệ chuyên dụng và hệ thống máy ly tâm hiện đại. Nga hiện là quốc gia hiếm hoi trên thế giới làm chủ quá trình làm giàu Nickel-63.

Để hiện thực hóa mục tiêu sản xuất hàng loạt vào 2028-2029, các nhà nghiên cứu Nga hiện đang tìm kiếm các đối tác công nghiệp, đặc biệt là trong các trung tâm hạt nhân chuyên biệt của Rosatom (như Sarov hoặc Mayak), để giảm chi phí thông qua việc làm giàu đồng vị ở quy mô lớn.

Các nhà nghiên cứu tại MEPhI gần đây đã chuyển trọng tâm sang một “phương pháp tiếp cận thay thế độc đáo” trong thiết kế pin hạt nhân, loại bỏ cấu trúc nhiều lớp truyền thống để tăng hiệu quả và khả năng mở rộng.

Các nhà khoa học tại Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia Nga (NUST MISIS) đã phát triển một cấu trúc 3D được cấp bằng sáng chế cho các bộ chuyển đổi dựa trên silicon. Bằng cách đặt các đồng vị bên trong các kênh siêu nhỏ thay vì trên một bề mặt phẳng, họ đã tăng diện tích chuyển đổi bức xạ lên 14 lần, dẫn đến công suất riêng tăng gấp 10 lần đồng thời giảm kích thước thiết bị xuống còn 1/3.

Sức mạnh từ nguồn phát bức xạ beta "sạch", an toàn

Một trong những lo ngại lớn nhất về năng lượng hạt nhân là phóng xạ, nhưng với Nickel-63, sự an toàn gần như là tuyệt đối, không phát xạ gamma đáng kể. Chỉ cần lớp vỏ pin là đủ che chắn.

Bức xạ beta mà nó phát ra có năng lượng thấp đến mức không thể xuyên qua nổi một tờ giấy hay lớp da người. Do đó, chính lớp vỏ bảo vệ của viên pin đã là một tấm khiên hoàn hảo, ngăn chặn mọi rò rỉ và đảm bảo an toàn cho cả con người lẫn các thiết bị điện tử nhạy cảm xung quanh.

Thêm vào đó, khả năng chịu nhiệt cực hạn từ -100°C đến +150°C giúp nó trở thành lựa chọn duy nhất cho các trạm quan trắc tại Bắc Cực lạnh giá hay bên ngoài không gian chân không.

Hơn nữa, để đáp ứng các quy định quốc tế và của Nga (Cơ quan Giám sát Môi trường, Công nghiệp và Hạt nhân Liên bang Nga Rostekhnadzor), các nguyên mẫu pin hạt nhân trải qua quá trình "thử nghiệm khắc nghiệt" nghiêm ngặt để mô phỏng các sự cố.

Trong tương lai gần, không chỉ tàu vũ trụ hay máy bay không người lái, mà ngay cả những chiếc máy trợ tim trong y tế cũng sẽ được trang bị "trái tim hạt nhân" này – một nguồn sống bền bỉ cho cả một đời người.

Pin hạt nhân Nickel-63 chính là minh chứng cho việc con người đã thuần hóa được năng lượng nguyên tử để phục vụ những mục tiêu hòa bình và xa xôi nhất. Một kỷ nguyên mới nơi chúng ta không còn phải lo lắng về việc "hết pin" đang thực sự bắt đầu.