Lần đầu tiên trong gần 30 năm qua, các nhà khoa học ở Mĩ đã tạo ra được chất bột plutonium-238, một cột mốc quan trọng mà theo họ sẽ đưa nước Mĩ tiến tới lộ trình cấp nhiên liệu cho các sứ mệnh thám hiểm vũ trụ xa xôi của NASA.
Plutonium-238 (Pu-238) là một nguyên tố phóng xạ, và khi phân hủy, hay phân rã thành uranium-234, nó giải phóng nhiệt. Nhiệt lượng đó có thể khai thác làm nguồn cấp năng lượng; chẳng hạn, khoảng 30 sứ mệnh vũ trụ, trong đó có phi thuyền Voyager, phi thuyền thám hiểm các hành tinh nhóm ngoài của hệ mặt trời hồi thập niên 1970, hoạt động dựa trên dạng oxide của đồng vị plutonium. (Một đồng vị là một nguyên tử của một nguyên tố có số neutron khác.)
Các nhà khoa học trộn neptunium oxide với nhôm và ép hỗn hợp thành dạng viên. Sau đó, họ chiếu xạ các viên nén này để tạo ra neptunium-238, đồng vị nhanh chóng phân rã thành plutonium-238. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge
Thời Chiến tranh Lạnh, Nhà máy điện hạt nhân Savannah River ở bang Nam Carolina là nơi sản xuất Pu-238. “Các lò phản ứng đó ngừng hoạt động vào năm 1988, và nước Mĩ không còn khả năng tạo ra vật liệu mới kể từ đó,” theo lời Bob Wham, người phụ trách dự án cho Cục An ninh Hạt nhân và Công nghệ Đồng vị tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kì (DOE).
Sau khi Mĩ ngừng sản xuất Pu-238, Nga là quốc gia cung ứng đồng vị này cho các sứ mệnh vũ trụ. Tuy nhiên, Nga cũng đã ngừng sản xuất đồng vị Pu-238. Cách đây hai năm, NASA bắt đầu tài trợ một nỗ lực mới nhằm sản xuất plutonium-238, chi khoảng 15 triệu USD mỗi năm cho Ban Năng lượng Hạt nhân thuộc DOE.
Plutonium-238 là nguồn cung năng lượng lí tưởng cho các sứ mệnh vì một số nguyên do, ví dụ như chu kì bán rã của nó là khoảng 88 năm. Chu kì bán rã là thời gian cần thiết cho một nửa số lượng nguyên tử của nguyên tố phân rã. Điều đó có nghĩa là công suất tỏa nhiệt của đồng vị sẽ không giảm trong khoảng thời gian 88 năm. Plutonium-239, có chu kì bán ra 24.110 năm, là đồng vị được tạo ra dồi dào nhất từ uranium trong các lò phản ứng hạt nhân, theo Hiệp hội Hạt nhân Thế giới.
Ngoài ra, “Pu-238 bền ở nhiệt độ cao, có thể tỏa nhiệt theo từng lượng nhỏ và phát ra hàm lượng bức xạ tương đối thấp dễ dàng che chắn được, vì thế các trang thiết bị thiết yếu cho sứ mệnh không bị ảnh hưởng,” Wham cho biết.
Wham và các đồng sự của ông đã tạo ra được 50 gram (1,8 ouce) Pu-238.
Vì các nhà khoa học đang sử dụng hạ tầng hiện có tại Bộ Năng lượng, nên họ cần cải tiến quá trình sản xuất plutonium. “Chẳng hạn, DOE hiện đang sử dụng các lò phản ứng nghiên cứu nhỏ hơn các lò tại nhà máy Savannah River. Do đó, chúng tôi cần cải tiến công nghệ để hoạt động được trong khuôn khổ các lò đang hoạt động hiện nay,” Wham nói.
Tiếp theo, các nhà khoa học sẽ kiểm tra độ tinh khiết của mẫu và tăng quy mô của quá trình sản xuất.
“Một khi chúng tôi tự động hóa và tăng quy mô quá trình, nước Mĩ sẽ có khả năng sản xuất lâu dài các hệ thống năng lượng đồng vị phóng xạ, ví dụ như các hệ thống được NASA sử dụng cho các sứ mệnh thám hiểm vũ trụ xa xôi,” Wham nói.
Sứ mệnh NASA tiếp theo có kế hoạch sử dụng nguồn năng lượng đồng vị phóng xạ như thế là xe tự hành Mars 2020, dự kiến sẽ rời bệ phóng vào tháng 7 năm 2020. Xe tự hành Mars 2020 sẽ được thiết kế nhằm tìm kiếm các dấu hiệu của sự sống trên Hành tinh Đỏ, thu gom đá và các mẫu đất để thử nghiệm trên Trái đất, và nghiên cứu công nghệ cho sự thám hiểm vũ trụ có con người.
Nguồn: LiveScience
