Phương pháp mới sản xuất nhiên liệu nhiệt hạch hạt nhân không dùng thủy ngân

Quy trình nhiệt hạch ít thách thức nhất liên quan đến việc kết hợp hai đồng vị của hydro, deuterium và tritium, để tạo ra heli, một neutron và rất nhiều năng lượng. Tritium, đồng vị phóng xạ hiếm của hydro, rất khó và tốn kém để có được. Các lò phản ứng “sinh sản” tìm cách sản xuất tritium bằng cách bắn phá lithium bằng neutron.

Các nguyên tử lithium tồn tại dưới dạng hai đồng vị ổn định: lithium-7 chiếm 92,5% nguyên tố trong tự nhiên và phần còn lại là lithium-6. Đồng vị hiếm hơn phản ứng hiệu quả hơn nhiều với neutron để tạo ra tritium trong phản ứng nhiệt hạch.

Tuy nhiên, hai đồng vị lithium cực kỳ khó tách. Lithium-6 là thành phần chính để sản xuất nhiên liệu dùng trong phản ứng nhiệt hạch hạt nhân, nhưng việc tách nó ra khỏi lithium-7 dồi dào hơn thường cần thủy ngân dạng lỏng, một chất cực kỳ độc hại.

Phương pháp truyền thống để tách lithium-6, dựa vào quy trình COLEX, sử dụng thủy ngân lỏng, đã bị cấm ở Hoa Kỳ từ năm 1963 do lo ngại tác động đến môi trường và sức khỏe. Kể từ đó, nghiên cứu của Hoa Kỳ dựa vào kho dự trữ lithium-6 hạn chế tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Tennessee.

Việc tìm ra phương pháp mới an toàn hơn, để tách lithium-6 là điều cần thiết để thúc đẩy phản ứng nhiệt hạch hạt nhân trở thành nguồn năng lượng sạch. Các nhà khoa học tại ETH Zürich và Đại học Texas A&M, đã phát triển một phương pháp không dùng thủy ngân, có thể tách lithium-6, trong khi vẫn duy trì hiệu quả như phương pháp truyền thống. Phát hiện của họ được công bố ngày 20/3/2025 trên tạp chí Chem, do Cell Press xuất bản.

Điều thú vị là phương pháp mới đến một cách tình cờ. Các nhà nghiên cứu đang phát triển màng lọc để làm sạch “nguồn nước sản xuất”, trong quá trình khoan dầu khí, họ nhận thấy màng lọc thu được lượng lithium cao bất thường. Kết quả bất ngờ đó thúc đẩy họ tìm hiểu sâu hơn, cuối cùng khám phá ra một cách mới để tách lithium-6 mà không cần thủy ngân.

Các nhà nghiên cứu thấy rằng, màng lọc mà họ sử dụng, chứa một hợp chất được tạo ra trong phòng thí nghiệm có tên là zeta-vanadium oxide (V₂O₅). Zeta-V₂O₅ có cấu trúc đường hầm một chiều, thể hiện một số đặc tính độc đáo, có thể thu thập một lượng lớn lithium rất chọn lọc. Nhóm nghiên cứu nhận thấy, các ion lithium-6 liên kết chặt chẽ hơn và được giữ lại bên trong các đường hầm.

Để kiểm tra xem vật liệu có thể tách lithium-6 khỏi lithium-7 hay không, nhóm nghiên cứu thiết lập một pin điện hóa với cực âm zeta-V₂O₅. Khi họ bơm dung dịch nước chứa ion lithium qua pin trong khi áp dụng điện áp, các ion lithium tích điện dương bị kéo về phía ma trận zeta-V₂O₅ tích điện âm và vào các đường hầm của nó.

Do khác biệt về khối lượng và chuyển động, ion lithium-6 được đường hầm zeta-V₂O₅ ưu tiên thu giữ, trong khi ion lithium-7 di động hơn thoát khỏi sự thu giữ. Các ion lithium-6 bám chặt hơn nhiều vào các đường hầm, đó là cơ chế chọn lọc. Khi ion lithium được tích hợp vào zeta-V₂O₅, hợp chất này dần chuyển màu từ vàng tươi sang xanh ô liu sẫm, giúp dễ dàng theo dõi mức độ cô lập lithium.

Nghiên cứu cho thấy, một chu trình điện hóa duy nhất có thể làm giàu lithium-6 lên 5,7%. Để thu được lithium cấp độ cần thiết cho nhiên liệu nhiệt hạch, cần ít nhất 30% lithium-6, quá trình này cần được lặp lại khoảng 25 lần. Để đạt mức độ làm giàu lithium-6 thậm chí cao hơn là 90%, cần khoảng 45 chu trình tuần tự.

Mặc dù nghiên cứu vẫn đang trong giai đoạn đầu, các nhà khoa học rất lạc quan về việc mở rộng quy trình này cho các ứng dụng trong công nghiệp. Phương pháp này không sử dụng thủy ngân không chỉ mở đường cho việc chiết xuất lithium-6 an toàn hơn mà còn có tiềm năng ứng dụng trong việc tách các đồng vị khác.

Phương pháp đột phá này có thể đánh dấu bước ngoặt trong trong nỗ lực chung của toàn cầu trong quá trình biến năng lượng nhiệt hạch thành hiện thực, được xem là nguồn năng lượng sạch và vô hạn trong tương lai.