科学处理核废物持续发展核能源记清华大学核能(2)
【作者】网站采编
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【摘要】劳伦斯伯克利国家实验室是美国最杰出的国家实验室之一,实验室前身是加州大学放射实验室,而后为了纪念伯克利著名实验物理学家欧内斯特·劳伦斯而
劳伦斯伯克利国家实验室是美国最杰出的国家实验室之一,实验室前身是加州大学放射实验室,而后为了纪念伯克利著名实验物理学家欧内斯特·劳伦斯而更名为劳伦斯伯克利国家实验室,具有悠久的历史。长期以来,美国在放射化学领域以及基础的锕系化学领域研究一直走在世界前列。在劳伦斯伯克利国家实验室从事科研工作期间,徐超接触到了最前沿的科研思想,也在自己感兴趣的研究领域进行了系统学习。通过两年的积淀与磨练,他在锕系溶液配位化学等研究方向打下了坚实基础。“国外科研团队所涉猎的知识面都很宽,科研目标也十分明确,并十分洞悉在自己所在的科研领域中应该研究什么、不该研究什么。”徐超说。这趟研究旅程不仅拓宽了徐超的科研视野,也让他在国外从事科学研究的理念以及实验室管理等方面,学到了许多有价值的经验。
回国后,结合当时国内实验室的实际情况,徐超将在国外学到的先进科研技术及管理经验应用到自己的科研工作中,也为其所在团队相关研究工作的开展提供了有力支撑。目前,徐超所在的核化学化工团队主要针对先进核燃料循环技术中放射性核素高效分离与核废物处理的需求开展基础和应用研究。
在基础研究方面,徐超主要针对锕系元素在溶液中的配位化学行为展开探索。铀、镎、钚等锕系元素是核废物分离和处理的核心对象之一。所有锕系元素都具有放射性,对环境存在一定影响,尤其是铀以后的所谓“超铀元素”,其放射性强,毒性大,必须予以科学处理与处置。也正是由于这些元素的放射性和毒性,导致我们对它们基本性质的了解远不如非放射性元素。对锕系元素溶液化学的研究不仅能加深科研工作者对于锕系元素基础化学性质的认知水平,还能更好地指导核废物的处理和处置。
铀、镎、钚在元素周期表5f元素中处于相邻位置,是乏燃料后处理中最关键的三种锕系元素。为发展新型锕系元素分离方法、预测锕系元素环境化学行为,徐超考察了不同价态铀镎钚与一系列功能配体在水溶液中的络合化学,力图从基础热力学角度了解锕系元素的络合规律。通过相关科研工作,徐超发现一些锕系离子随原子序数增加产生的细微结构变化可能会导致其溶液配位性能的重大转变,进一步丰富了锕系元素配位周期律。相关研究成果为筛选和设计锕系元素分离的功能配体提供了重要参考。
“分离-嬗变”策略是一种处理放射性废物的有效途径,其将长寿命、强放射性的次锕系核素分离出来,通过反应堆或加速器嬗变为稳定或短寿命核素,从而大大缩减放射性废物长期危害。在这一策略中,性质相近的三价镧锕离子的分离是最为关键的步骤之一,也是当今分离领域最具挑战性的难题之一。为解决这一难题,在所在团队前期工作基础上,徐超与团队成员一起进一步发展了基于二硫代次膦酸作为萃取剂的分离方法,并开发了基于这一技术的分离流程,实现了目前世界上最高的三价镧锕分离因子。
针对我国核能发展的重大需求,徐超还针对乏燃料处理过程中产生的高放射性废液展开了应用研究,这项工作也是徐超所在团队目前的重点研究方向。高放废液是乏燃料后处理提取铀钚后产生的强放射性废液,集中了乏燃料中95%以上的放射性,包含残存的铀钚、次锕系元素镎镅锔以及长寿命的裂片元素,若不经分离处理直接进行固化和地质处置,需要数以万年的有效监管,环境风险大。为了解决这一问题,徐超所在的清华大学核化学化工研究团队提出将高放废液中的不同核素分门别类,通过液液萃取手段进行高效分离后,将一些半衰期相对较短的核素在近地表储存,而半衰期非常长的核素进行深地层处置,从而减少监管所需要的人力、财力和物力。另外,从高放废液中分离出来的很多核素还具有各种用途,可将它们回收后再利用,实现“变废为宝”。
经过多年来几代科研人员的努力,徐超所在的研究团队发展了具有我国自主知识产权的高放废液分离流程并对其进行了验证实验。作为骨干力量,徐超参与完成了生产堆高放废液全分离流程热验证实验,在72级离心萃取器台架上,处理了数百居里真实高放废液,连续稳定运行近200小时。这一验证实验的完成是目前我国在高放废液分离领域的一大突破,为后续应用工程的实施奠定了基础。该成果还获得了2017年度国防科学技术进步奖二等奖。
2018年,徐超还获得了国家自然科学基金优秀青年科学基金的资助。在这一项目研究中,他将面向我国核能快速发展及放射性环境危害防控的重大需求,依托于清华大学甲级放化实验室平台,开展锕系元素(尤其是超铀元素)环境放射化学研究,从锕系元素自身的物理化学性质出发,考虑环境体系的特点,从原子、分子水平上揭示锕系元素与环境中相关介质、物种的相互作用机制,以提升我国在锕系元素环境放射化学领域的研究水平和国际影响力。
文章来源:《清华大学学报》 网址: http://www.qhdxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0412/1016.html
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