Trong một nỗ lực nhằm tái định nghĩa tương lai của ngành năng lượng hạt nhân, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Thomas Jefferson đang đẩy mạnh hai dự án chiến lược nhằm tối ưu hóa Hệ thống Thúc đẩy bằng Máy gia tốc (ADS). Với sự hỗ trợ từ khoản tài trợ 8,17 triệu USD của chương trình NEWTON thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, sáng kiến này đánh dấu một bước chuyển mình lịch sử: thay vì coi nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng là một gánh nặng lưu trữ vĩnh viễn, các chuyên gia đang biến chúng thành một nguồn tài nguyên có thể tái chế để tạo ra điện năng.
Máy gia tốc được dùng để “thuần hóa” rác thải phóng xạ, đồng thời tận dụng nó để phát điện – Ảnh: Jeffferson Lab.
Cốt lõi của công nghệ này nằm ở khả năng giải quyết bài toán nan giải về rác thải hạt nhân. Hệ thống ADS vận hành bằng cách sử dụng máy gia tốc để bắn các hạt proton năng lượng cao vào mục tiêu kim loại nặng, điển hình là thủy ngân lỏng, kích hoạt một quá trình vật lý có tên “spallation”, tạm gọi là “phá vỡ”. Hiện tượng này giải phóng một dòng thác neutron cường độ mạnh, tương tác trực tiếp với các đồng vị phóng xạ có tuổi thọ cao trong rác thải.
Qua đó, hệ thống không chỉ “đốt cháy” các thành phần nguy hại nhất mà còn sinh ra lượng nhiệt khổng lồ để phát điện. Nếu như nhiên liệu chưa qua xử lý đòi hỏi thời gian lưu trữ an toàn lên tới 100.000 năm, thì việc tái chế qua hệ thống ADS có thể rút ngắn con số này xuống chỉ còn 300 năm, một khoảng thời gian hoàn toàn nằm trong tầm kiểm soát của con người.
Tuy nhiên, để đưa ADS từ lý thuyết vào thực tế thương mại, Phòng thí nghiệm Jefferson đang phải đối mặt với hai rào cản kỹ thuật lớn nhất là hiệu năng và chi phí. Các máy gia tốc truyền thống thường yêu cầu hệ thống làm mát siêu lạnh cực kỳ đắt đỏ để đạt được trạng thái siêu dẫn.
Để khắc phục, đội ngũ nghiên cứu do ông Rongli Geng dẫn đầu đã tiên phong sử dụng hợp chất thiếc-niobi để phủ lên bề mặt các khoang gia tốc. Đột phá này cho phép hệ thống vận hành ở nhiệt độ cao hơn, giúp thay thế các nhà máy làm lạnh tùy chỉnh khổng lồ bằng các đơn vị làm mát thương mại tiêu chuẩn, từ đó tối ưu hóa đáng kể chi phí vận hành cho các nhà máy năng lượng trong tương lai.
Song song với việc cải thiện hệ thống làm mát, các nhà nghiên cứu còn đang thực hiện một bước đi táo bạo khi chuyển đổi magnetron, một linh kiện vốn dùng trong lò vi sóng gia đình, thành nguồn năng lượng chủ lực cho máy gia tốc. Thách thức ở đây là phải đồng bộ hóa năng lượng ở tần số cực kỳ chính xác là 805 Megahertz để cung cấp công suất 10 Megawatt cần thiết cho hệ thống.
Thông qua việc hợp tác chặt chẽ với các đối tác công nghiệp như Stellant Systems, dự án đang hiện thực hóa việc kết hợp các cụm magnetron tiên tiến để đạt được ngưỡng sức mạnh khổng lồ với hiệu suất tối ưu, biến những thiết bị gia dụng phổ biến thành công cụ phục vụ vật lý năng lượng cao.
Tầm nhìn của chương trình NEWTON không dừng lại ở mức thí nghiệm khi đặt mục tiêu tái chế toàn bộ kho dự trữ nhiên liệu hạt nhân thương mại của Mỹ trong vòng 30 năm tới. Bằng cách thu hút sự tham gia của các doanh nghiệp lớn như General Atomics hay RadiaBeam ngay từ giai đoạn đầu, Phòng thí nghiệm Jefferson đang đảm bảo rằng công nghệ này có thể nhanh chóng chuyển từ môi trường nghiên cứu sang sản xuất công nghiệp đại trà.
Đây là một cuộc cách mạng trong việc biến một thứ rác thải nguy hiểm thành nguồn năng lượng xanh, phục vụ trực tiếp cho lưới điện quốc gia.
