Có thể biến thủy ngân thành vàng không? Nghiên cứu mới: Sử dụng lò phản ứng tổng hợp hạt nhân để sản xuất vàng hàng loạt

Tuy nhiên, trước đây, người ta thường cho rằng phương pháp này không khả thi trong thực tế vì đòi hỏi công nghệ phức tạp, chi phí cao, sản lượng vàng cuối cùng cực kỳ hạn chế, đầu vào và đầu ra không cân xứng nghiêm trọng.

Đáng chú ý, một nghiên cứu mới được công bố gần đây trên máy chủ bản thảo (arXiv) đề xuất một phương pháp sản xuất vàng hàng loạt bằng lò phản ứng tổng hợp hạt nhân. Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng nếu phương pháp này được kiểm chứng thêm, việc biến thủy ngân thành vàng có thể trở thành hiện thực trong tương lai không xa.

Theo phần giới thiệu, cốt lõi lý thuyết của nghiên cứu này nằm ở việc sử dụng thông minh các neutron năng lượng cao được giải phóng trong phản ứng tổng hợp deuterium-tritium.

Nói một cách đơn giản, phản ứng tổng hợp hạt nhân deuterium-tritium được coi là hình thức tổng hợp hạt nhân có kiểm soát khả thi nhất mà nhân loại hiện có thể thực hiện được. Deuterium và tritium là hai đồng vị của hydro. Hạt nhân deuterium chứa một proton và một neutron, trong khi hạt nhân tritium bao gồm một proton và hai neutron. Khi phản ứng tổng hợp deuterium và tritium, chúng kết hợp với nhau tạo thành hạt nhân helium-4 (gồm hai proton và hai neutron), giải phóng một lượng lớn năng lượng và một neutron.

Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng vì tritium cực kỳ khan hiếm trên Trái Đất, các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân phải có khả năng tự động tái tạo tritium. Do đó, một "chăn sinh sản" được thiết kế đặc biệt thường được lắp đặt xung quanh thành trong của lò phản ứng tổng hợp hạt nhân (cụ thể là một thiết bị hình vòng gọi là "tokamak").

"Tấm chăn nuôi" này bao gồm hai loại vật liệu: một là vật liệu nuôi tritium, chủ yếu sử dụng lithium, được dùng để hấp thụ neutron giải phóng trong quá trình tổng hợp hạt nhân và tạo ra tritium thông qua các phản ứng hạt nhân; loại còn lại là vật liệu nhân neutron, chẳng hạn như berili hoặc chì, tạo ra nhiều neutron thứ cấp bằng cách phản ứng với neutron tới, do đó cải thiện hiệu quả nuôi tritium.

Phương pháp mà họ đề xuất là kết hợp một đồng vị thủy ngân ổn định tương đối phổ biến trong tự nhiên, thủy ngân-198 (tỷ lệ tự nhiên khoảng 10%), vào "tấm chăn phổ biến" này.

Khi phản ứng tổng hợp bắt đầu, luồng neutron năng lượng cao mà nó giải phóng sẽ liên tục bắn phá lớp vật liệu chứa thủy ngân-198 và tạo ra vàng thông qua ba bước sau.

Bước đầu tiên là bắt giữ neutron: một neutron năng lượng cao va chạm với hạt nhân thủy ngân-198 và bị hạt nhân này bắt giữ.

Bước thứ hai là chuyển hóa hạt nhân: sau khi hạt nhân thủy ngân-198 bắt được một nơtron năng lượng cao, nó chuyển hóa thành một đồng vị thủy ngân không ổn định khác - thủy ngân-197.

Bước này liên quan đến phản ứng hạt nhân gọi là "(n,2n)", công thức phản ứng có thể được biểu thị là "hạt nhân mục tiêu + nơtron → hạt nhân mới + 2 nơtron".

Nguyên lý đơn giản là (n,2n) là một phản ứng hấp thụ năng lượng. Sau khi hạt nhân nguyên tử bắt một neutron, nếu neutron tới có đủ năng lượng, hạt nhân nguyên tử sẽ ở trạng thái kích thích. Ở trạng thái này, hạt nhân nguyên tử không ổn định và sẽ phát ra hai neutron để giải phóng năng lượng trước khi ổn định.

Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng đây là bước quan trọng để đạt được sự chuyển đổi và vì các neutron năng lượng cao được giải phóng bởi phản ứng tổng hợp deuterium-tritium đủ để kích hoạt phản ứng (n,2n) của thủy ngân-198 nên bước này về mặt lý thuyết là khả thi.

Bước thứ ba là sự phân rã tự phát: vì cấu trúc bên trong của hạt nhân thủy ngân-197 không ổn định nên nó sẽ tự động tìm kiếm trạng thái ổn định hơn, trong quá trình này nó sẽ phân rã thông qua một quá trình gọi là "bắt electron".

Nói một cách đơn giản, quá trình này diễn ra khi hạt nhân thủy ngân-197 bắt một electron từ lớp vỏ electron của chính nó và electron này kết hợp với một proton trong hạt nhân để trở thành một neutron.

Khi quá trình này hoàn tất, số proton trong hạt nhân giảm từ 80 xuống 79, nghĩa là nó đã chuyển thành vàng-197 - đồng vị ổn định duy nhất của vàng mà chúng ta biết đến.

Các nhà nghiên cứu đã tính toán thông qua mô phỏng máy tính rằng quá trình chuyển đổi thủy ngân-197 thành vàng-197 diễn ra khá nhanh, với thời gian bán hủy chỉ khoảng 64 giờ.

Đáng chú ý hơn nữa là tiềm năng sản xuất vàng hàng loạt của nó. Các tính toán cho thấy, thông qua phương pháp này, một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân với công suất đầu ra 1 gigawatt (1GW) về mặt lý thuyết có thể sản xuất khoảng 2 tấn vàng mỗi năm.

Các nhà nghiên cứu cho biết hiện tại chúng ta chỉ có thể nói rằng việc biến thủy ngân thành vàng dự kiến sẽ trở thành hiện thực trong tương lai, nhưng điều đó vẫn chưa chắc chắn. Bởi vì nghiên cứu này hiện chỉ dựa trên suy luận lý thuyết và mô phỏng máy tính, chưa có dữ liệu thực nghiệm nào được thu thập trong lò phản ứng nhiệt hạch thực tế. Việc lý thuyết có thể chuyển hóa thành hiện thực hay không vẫn cần rất nhiều công sức theo dõi để xác minh.