Chất thải hạt nhân có thể được tái sử dụng để sản xuất một đồng vị cực hiếm cần cho phản ứng nhiệt hạch, vốn hứa hẹn mang lại nguồn năng lượng sạch gần như vô hạn theo nhận định của một nhà khoa học. Đồng vị phóng xạ của hydro, gọi là triti, không tồn tại sẵn trên Trái Đất, rất đắt đỏ và chỉ có thể sản xuất với số lượng hạn chế. Tại cuộc họp mùa thu của Hội Hóa học Hoa Kỳ (ACS) tuần này, nhà vật lý Terence Tarnowsky từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos đã đề xuất rằng triti có thể được thu hồi từ sản phẩm phụ của phản ứng phân hạch hạt nhân – quá trình đang được dùng rộng rãi để vận hành các lò phản ứng hiện tại.

Nhiệt hạch là quá trình kết hợp các nguyên tử nhằm giải phóng nhiệt. Dù có nhiều phản ứng nhiệt hạch lý thuyết có thể tạo ra năng lượng, một phương án phổ biến là kết hợp triti với deuterium, một đồng vị khác của hydro, để tạo ra helium.

Tuy nhiên, cho đến nay, nhiệt hạch vẫn chưa thể triển khai trên quy mô thương mại do các nhà khoa học vẫn chưa tìm ra cách tạo "sự bùng cháy" quy mô lớn – tức phản ứng tự duy trì có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn lượng đầu vào. Một rào cản lớn khác là chi phí nhiên liệu như triti.

"Tận dụng nhiệt hạch sẽ mang lại nguồn năng lượng dồi dào, không phát thải," Tarnowsky trả lời. "Nhưng hiện triti rất khan hiếm và tốn kém, trở thành trở ngại lớn của công nghệ này."

Sản xuất triti hiệu quả

Theo Tarnowsky, thế hệ đầu tiên của các nhà máy nhiệt hạch hòa lưới điện nhiều khả năng sẽ phụ thuộc vào phản ứng cần triti. Dù có thể sử dụng một số phương án khác như kết hợp deuterium và heli-3 để tạo điện, các phản ứng này lại yêu cầu nhiệt độ cao hơn nhiều, khiến giá thành đội lên và khó áp dụng thực tiễn.

Tuy nhiên, việc thu thập triti là một bài toán lớn: đồng vị này vừa phóng xạ vừa có chu kỳ bán rã ngắn. Mỗi năm, lượng triti tích trữ sẽ giảm đi 5,5%, đồng nghĩa bạn không thể "gửi ngân hàng" triti chờ sử dụng như nhiều loại năng lượng khác, Tarnowsky cho biết.

Để các nhà máy nhiệt hạch tương lai thành công, cần phát triển phương pháp sản xuất triti mới, rẻ tiền hơn. "Năng lực này cần phải sẵn sàng từ bây giờ," ông nhấn mạnh.

Các nhà máy điện hạt nhân hiện nay sử dụng phản ứng phân hạch, tức phân tách nguyên tử để giải phóng năng lượng, nhưng quá trình này tạo ra nhiều chất thải phóng xạ có tuổi thọ hàng triệu năm. Nhiên liệu đã qua sử dụng gồm uranium và plutonium không thể tận dụng, cộng thêm các sản phẩm phân hạch như strontium và iot phóng xạ tồn tại lâu dài.

Tarnowsky đề xuất tạo triti từ lượng lớn chất thải này bằng cách sử dụng máy gia tốc hạt để phân tách các nguyên tử trong chất thải. Những nguyên tử chia tách này sẽ qua hàng loạt phản ứng, cuối cùng tạo ra triti. Quy trình này không loại bỏ hoàn toàn chất thải hạt nhân bởi sản phẩm phụ vẫn nguy hiểm như ban đầu, nhưng sẽ khai thác thêm giá trị từ nguồn thải này.

Nguyên lý cơ bản của thiết kế không mới, Tarnowsky cho biết, nhưng các tiến bộ công nghệ gần đây giúp quá trình sản xuất triti từ chất thải hiệu quả vượt trội. Tính toán ban đầu của Tarnowsky cho thấy, với 1 gigawatt điện – tiêu tốn ít nhất hàng chục triệu đô la – hệ thống này có thể sản xuất 2 kg triti mỗi năm. Nếu sử dụng cho nhiệt hạch, lượng triti này đủ cấp điện cho hàng chục ngàn hộ gia đình Mỹ trong một năm. So với các phương pháp trước, thiết kế này sản xuất lượng triti gấp mười lần, dù tiêu tốn cùng một lượng điện.

“Một bước ngoặt cực lớn”

Hiện Mỹ chưa có nguồn cung triti ổn định, dự đoán giá khoảng 33 triệu đô la/kg, Tarnowsky cho biết. Trong khi đó, quốc gia này tích trữ hàng ngàn tấn chất thải hạt nhân, vừa tốn kém để lưu trữ vừa gây nguy hại tiềm tàng với môi trường xung quanh.

"Chúng ta có thể triển khai công nghệ này ngay hôm nay," Tarnowsky khẳng định: "Đây sẽ là một bước ngoặt đối với tận dụng chất thải hạt nhân đã có sẵn, vốn thuộc quyền sở hữu của chính phủ."

Hiện còn nhiều chi tiết kỹ thuật cần làm rõ trước khi Tarnowsky có thể trình đề án hoàn chỉnh về quy trình này. Song, ông lạc quan khi sáng kiến nhận được đón nhận tích cực, nhất là khi vấn đề an toàn hạt nhân từng khiến chủ đề này bị dè dặt suốt nhiều thập kỷ, kể từ sau các thảm họa như đảo Three Mile và Chernobyl.

“Thời thế đã khác,” Tarnowsky nói. Và có lẽ, thứ từng bị xem là rác thải nguy hiểm lại chính là chìa khóa mở ra kỷ nguyên năng lượng vô tận.

Công nghệ tận dụng chất thải hạt nhân để sản xuất triti – nhiên liệu quan trọng cho nhiệt hạch – có thể mở ra kỷ nguyên năng lượng sạch, rẻ, gần như vô tận, đồng thời giúp giải quyết bài toán chất thải phóng xạ tồn đọng hàng thập kỷ. Tuy còn nhiều trở ngại nhưng hướng đi này là một bước tiến lớn trong hành trình tìm kiếm giải pháp năng lượng bền vững cho tương lai nhân loại.