科學(xué)處理核廢物 持續(xù)發(fā)展核能源

武光磊

21世紀(jì)科技高速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)日益提升，而作為支撐我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的支柱之一，能源在其中占據(jù)了舉足輕重的地位。與傳統(tǒng)能源相比，核能具有高能效、低污染、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)。隨著時(shí)代發(fā)展與科技進(jìn)步，國家和社會(huì)對于核能技術(shù)的應(yīng)用也變得越來越廣泛。如今，中國作為世界上第一大能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國，發(fā)展核能事業(yè)是大勢所趨。

從科學(xué)的角度講，地球上可控的核能發(fā)展，大體上將經(jīng)歷由利用核裂變能走向利用核聚變能兩大階段。目前在核聚變能未開發(fā)利用之前，我們?nèi)孕枰罅Πl(fā)展核裂變能，以緩解目前及今后很長一段時(shí)間能源供應(yīng)緊張的情況。盡管相對于化石燃料，核裂變發(fā)電具有成本低、相對清潔等優(yōu)點(diǎn)，但它的發(fā)展也帶來了不少亟須解決的問題，如乏燃料和核廢物的處理與處置、鈾資源的匱乏等。

核能的可持續(xù)發(fā)展離不開高效和環(huán)境友好的核燃料循環(huán)體系以及安全可靠的核廢物環(huán)境行為影響評價(jià)機(jī)制。作為支撐中國核能事業(yè)發(fā)展的中堅(jiān)力量之一，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院針對國家發(fā)展在能源、環(huán)境和資源領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)，承擔(dān)著重要使命。身為其中的一份子，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院副教授徐超，多年來就將研究重點(diǎn)放在先進(jìn)核燃料循環(huán)技術(shù)中放射性核素高效分離與核廢物處理的需求上，在高放廢液處理、錒系元素溶液配位化學(xué)、放射性核素分離新方法等方面開展了系列基礎(chǔ)及應(yīng)用研究工作，為中國核能事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)著屬于自己的“核動(dòng)力”。

與核結(jié)緣，堅(jiān)定自己的人生志向

1982年5月，徐超出生于素有“江湖鎖鑰、水陸通津”之美譽(yù)的江西省湖口縣。與大多數(shù)出身于農(nóng)村的青年學(xué)子一樣，在上大學(xué)之前，徐超對家鄉(xiāng)外面的世界認(rèn)知很少，通過學(xué)習(xí)改變自己的命運(yùn)便是他不斷前行的初衷。

因?yàn)橹袑W(xué)時(shí)期對數(shù)理化的熱愛，高考時(shí)，徐超選擇報(bào)考了北京大學(xué)的理科專業(yè)。功夫不負(fù)有心人，2000年，徐超順利考入北京大學(xué)技術(shù)物理系的應(yīng)用化學(xué)（原放射化學(xué)）專業(yè)，在這里展開了全新的學(xué)習(xí)和探索之旅。

21世紀(jì)開局之初，我國核物理以及核化學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展均處于低潮期。在此背景下，國家為發(fā)展“兩彈一星”事業(yè)所設(shè)立的北京大學(xué)技術(shù)物理系于2001年進(jìn)行了調(diào)整分拆，原本在技術(shù)物理系就讀的徐超，也隨著專業(yè)劃分進(jìn)入了北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院。在學(xué)期間，他先后獲得“北京大學(xué)三好學(xué)生標(biāo)兵”“北京市三好學(xué)生”等榮譽(yù)稱號。

2003年前后，國際及國內(nèi)的形勢發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。我國開始重視核能、核電的發(fā)展，相關(guān)專業(yè)也越來越受到國家重視。為了進(jìn)一步夯實(shí)學(xué)術(shù)基礎(chǔ)，徐超在本科畢業(yè)后選擇在北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院繼續(xù)深造。在碩博連讀期間，徐超一直從事放射性廢物處理的相關(guān)工作，他還與清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)合作，用長達(dá)3～4年的時(shí)間，投入到國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目的研究中，于2009年順利獲得理學(xué)博士學(xué)位，以優(yōu)異的成績榮獲“北京大學(xué)優(yōu)秀博士畢業(yè)生”稱號。

博士畢業(yè)后，徐超面臨著諸多抉擇。當(dāng)時(shí)，國家在核能領(lǐng)域的人才資源及研究隊(duì)伍緊缺。在這一背景之下，清華大學(xué)設(shè)立了“235人才計(jì)劃”，決定在這一計(jì)劃的支撐下從清華、北大的優(yōu)秀應(yīng)屆博士畢業(yè)生中挑選一批科研人才，充實(shí)到核能與新能源技術(shù)研究院的研究隊(duì)伍之中。因?yàn)樵诓┦科陂g與清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)合作過，徐超對這一平臺十分了解和向往，利用“235人才計(jì)劃”這一契機(jī)，他順利通過多輪篩選，來到了清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，從事相關(guān)研究工作至今。

積淀創(chuàng)新，聚焦高放射性核廢物處理

從北大到清華，雖然研究平臺改變了，但徐超為國家核能事業(yè)做貢獻(xiàn)的科研初衷一直從未動(dòng)搖。來到清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院之后，徐超加入了核化學(xué)化工研究室。在這一平臺的支撐下，他結(jié)合自己的背景特長，圍繞放射性廢物處理與處置這一領(lǐng)域，在高放廢液分離化學(xué)、錒系元素溶液化學(xué)、放射性核素分離新材料等方面開展了一系列基礎(chǔ)及應(yīng)用研究工作。

由于核能與新能源技術(shù)研究院屬于工科性質(zhì)院系，主要面向的是核能領(lǐng)域的工程應(yīng)用。在工作過程中，徐超希望自己能夠在核廢物處理相關(guān)的基礎(chǔ)化學(xué)研究方面有更加深厚的科研積淀，以更好地服務(wù)于工程應(yīng)用。為了拓寬自己的科研視野，學(xué)習(xí)到更加前沿的領(lǐng)域知識，徐超于2011年在國家留學(xué)基金委的支持下，前往美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室從事訪問研究。

勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室是美國最杰出的國家實(shí)驗(yàn)室之一，實(shí)驗(yàn)室前身是加州大學(xué)放射實(shí)驗(yàn)室，而后為了紀(jì)念伯克利著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·勞倫斯而更名為勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室，具有悠久的歷史。長期以來，美國在放射化學(xué)領(lǐng)域以及基礎(chǔ)的錒系化學(xué)領(lǐng)域研究一直走在世界前列。在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室從事科研工作期間，徐超接觸到了最前沿的科研思想，也在自己感興趣的研究領(lǐng)域進(jìn)行了系統(tǒng)學(xué)習(xí)。通過兩年的積淀與磨練，他在錒系溶液配位化學(xué)等研究方向打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！皣饪蒲袌F(tuán)隊(duì)所涉獵的知識面都很寬，科研目標(biāo)也十分明確，并十分洞悉在自己所在的科研領(lǐng)域中應(yīng)該研究什么、不該研究什么。”徐超說。這趟研究旅程不僅拓寬了徐超的科研視野，也讓他在國外從事科學(xué)研究的理念以及實(shí)驗(yàn)室管理等方面，學(xué)到了許多有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。

回國后，結(jié)合當(dāng)時(shí)國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，徐超將在國外學(xué)到的先進(jìn)科研技術(shù)及管理經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到自己的科研工作中，也為其所在團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究工作的開展提供了有力支撐。目前，徐超所在的核化學(xué)化工團(tuán)隊(duì)主要針對先進(jìn)核燃料循環(huán)技術(shù)中放射性核素高效分離與核廢物處理的需求開展基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

在基礎(chǔ)研究方面，徐超主要針對錒系元素在溶液中的配位化學(xué)行為展開探索。鈾、镎、钚等錒系元素是核廢物分離和處理的核心對象之一。所有錒系元素都具有放射性，對環(huán)境存在一定影響，尤其是鈾以后的所謂“超鈾元素”，其放射性強(qiáng)，毒性大，必須予以科學(xué)處理與處置。也正是由于這些元素的放射性和毒性，導(dǎo)致我們對它們基本性質(zhì)的了解遠(yuǎn)不如非放射性元素。對錒系元素溶液化學(xué)的研究不僅能加深科研工作者對于錒系元素基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)知水平，還能更好地指導(dǎo)核廢物的處理和處置。

鈾、镎、钚在元素周期表5f元素中處于相鄰位置，是乏燃料后處理中最關(guān)鍵的三種錒系元素。為發(fā)展新型錒系元素分離方法、預(yù)測錒系元素環(huán)境化學(xué)行為，徐超考察了不同價(jià)態(tài)鈾镎钚與一系列功能配體在水溶液中的絡(luò)合化學(xué)，力圖從基礎(chǔ)熱力學(xué)角度了解錒系元素的絡(luò)合規(guī)律。通過相關(guān)科研工作，徐超發(fā)現(xiàn)一些錒系離子隨原子序數(shù)增加產(chǎn)生的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化可能會(huì)導(dǎo)致其溶液配位性能的重大轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步豐富了錒系元素配位周期律。相關(guān)研究成果為篩選和設(shè)計(jì)錒系元素分離的功能配體提供了重要參考。

“分離-嬗變”策略是一種處理放射性廢物的有效途徑，其將長壽命、強(qiáng)放射性的次錒系核素分離出來，通過反應(yīng)堆或加速器嬗變?yōu)榉€(wěn)定或短壽命核素，從而大大縮減放射性廢物長期危害。在這一策略中，性質(zhì)相近的三價(jià)鑭錒離子的分離是最為關(guān)鍵的步驟之一，也是當(dāng)今分離領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的難題之一。為解決這一難題，在所在團(tuán)隊(duì)前期工作基礎(chǔ)上，徐超與團(tuán)隊(duì)成員一起進(jìn)一步發(fā)展了基于二硫代次膦酸作為萃取劑的分離方法，并開發(fā)了基于這一技術(shù)的分離流程，實(shí)現(xiàn)了目前世界上最高的三價(jià)鑭錒分離因子。

針對我國核能發(fā)展的重大需求，徐超還針對乏燃料處理過程中產(chǎn)生的高放射性廢液展開了應(yīng)用研究，這項(xiàng)工作也是徐超所在團(tuán)隊(duì)目前的重點(diǎn)研究方向。高放廢液是乏燃料后處理提取鈾钚后產(chǎn)生的強(qiáng)放射性廢液，集中了乏燃料中95%以上的放射性，包含殘存的鈾钚、次錒系元素镎镅鋦以及長壽命的裂片元素，若不經(jīng)分離處理直接進(jìn)行固化和地質(zhì)處置，需要數(shù)以萬年的有效監(jiān)管，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大。為了解決這一問題，徐超所在的清華大學(xué)核化學(xué)化工研究團(tuán)隊(duì)提出將高放廢液中的不同核素分門別類，通過液液萃取手段進(jìn)行高效分離后，將一些半衰期相對較短的核素在近地表儲存，而半衰期非常長的核素進(jìn)行深地層處置，從而減少監(jiān)管所需要的人力、財(cái)力和物力。另外，從高放廢液中分離出來的很多核素還具有各種用途，可將它們回收后再利用，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。

經(jīng)過多年來幾代科研人員的努力，徐超所在的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高放廢液分離流程并對其進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。作為骨干力量，徐超參與完成了生產(chǎn)堆高放廢液全分離流程熱驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在72級離心萃取器臺架上，處理了數(shù)百居里真實(shí)高放廢液，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行近200小時(shí)。這一驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的完成是目前我國在高放廢液分離領(lǐng)域的一大突破，為后續(xù)應(yīng)用工程的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。該成果還獲得了2017年度國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

2018年，徐超還獲得了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金的資助。在這一項(xiàng)目研究中，他將面向我國核能快速發(fā)展及放射性環(huán)境危害防控的重大需求，依托于清華大學(xué)甲級放化實(shí)驗(yàn)室平臺，開展錒系元素（尤其是超鈾元素）環(huán)境放射化學(xué)研究，從錒系元素自身的物理化學(xué)性質(zhì)出發(fā)，考慮環(huán)境體系的特點(diǎn)，從原子、分子水平上揭示錒系元素與環(huán)境中相關(guān)介質(zhì)、物種的相互作用機(jī)制，以提升我國在錒系元素環(huán)境放射化學(xué)領(lǐng)域的研究水平和國際影響力。

對于核化學(xué)化工研究，徐超還特別強(qiáng)調(diào)國家層面支持的重要性和團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)的優(yōu)勢?！扒迦A大學(xué)核化學(xué)化工團(tuán)隊(duì)能夠長期致力于核廢物處理研究，離不開一直以來國家主管部門、清華大學(xué)及該團(tuán)隊(duì)所在的核能與新能源技術(shù)研究院的大力支持”。“我自己所取得的一點(diǎn)成績也離不開團(tuán)隊(duì)長期以來的支持。我們團(tuán)隊(duì)成員彼此分工有所不同，各有特長，相互密切合作，共同推進(jìn)國家重大項(xiàng)目的實(shí)施和核化學(xué)化工技術(shù)的突破?！毙斐瑥?qiáng)調(diào)。

面向現(xiàn)狀，消除公眾疑慮促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化

科研創(chuàng)新是科學(xué)家終生的事業(yè)。在從事科學(xué)研究的過程中，徐超從未忘卻自己的創(chuàng)新使命，并在致力于開拓原創(chuàng)性科研成果的道路上堅(jiān)持探索。現(xiàn)如今，國家對于先進(jìn)核燃料循環(huán)技術(shù)中放射性核素高效分離與核廢物處理領(lǐng)域的研究投入逐漸加強(qiáng)，人才隊(duì)伍也越來越強(qiáng)大，作為博士生導(dǎo)師，徐超也希望自己的學(xué)生能在研究興趣的驅(qū)使下，開展自主創(chuàng)新研究工作，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

前路是光明的但也充滿了曲折，在核能發(fā)展的道路中仍有許多困難亟待解決。發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識核能，是20世紀(jì)人類最偉大的科學(xué)成就之一。但在徐超看來，目前最大的挑戰(zhàn)就是公眾對于核領(lǐng)域研究以及核廢物處理的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

中國工程院院士杜祥琬曾在“中國科學(xué)與人文論壇”第128場報(bào)告會(huì)上指出：“人類既然認(rèn)識到核能的巨大潛力和價(jià)值，就不可能把它鎖在抽屜里、關(guān)在籠子里，必然會(huì)努力去開發(fā)它、掌握它，使之成為人類的馴服工具。不駕馭核能才是真正的危險(xiǎn)?！?/p>

回首過去，在世界核電發(fā)展史上，曾爆發(fā)多次核泄漏事件。美國的三里島核電站事故，蘇聯(lián)切爾諾貝利核泄漏事故，日本的福島核電站事故……曾令人們“談核色變”，以至于現(xiàn)在大部分人還是對核能呈現(xiàn)一種戒備心與警惕心。

要使專業(yè)人員和公眾都接受核電與其他發(fā)電方式相比是一種安全的能源這一觀念，尤其是要使他們對其中的效益和風(fēng)險(xiǎn)有完全和準(zhǔn)確的了解。身為這一領(lǐng)域的科研人員，徐超深知自己肩上擔(dān)負(fù)的職責(zé)?！翱蒲泄ぷ髡呷孕栊逕拑?nèi)功，提高自己的技術(shù)水平，進(jìn)一步消除公眾對于‘核的恐懼?！毙斐f。

科學(xué)研究要面向國家重大戰(zhàn)略需求。從基礎(chǔ)化學(xué)工藝到設(shè)備開發(fā)研究，徐超還將與團(tuán)隊(duì)成員一起基于已有的研究基礎(chǔ)，將研發(fā)的技術(shù)盡快推向應(yīng)用?！澳壳?，國家正在考慮建設(shè)乏燃料大型后處理廠，基于國家的需求，我們希望能將團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的科研技術(shù)和國家乏燃料后處理廠銜接起來，展開應(yīng)用。在高放廢液的分離工藝研究中，我們將致力于把核廢料更多有用的核素回收利用起來，以減少環(huán)境污染。”徐超說。

放射性核素高效分離與核廢物處理事業(yè)任重而道遠(yuǎn)，作為祖國核領(lǐng)域的千千萬萬個(gè)科學(xué)研究者之一，徐超還將不負(fù)使命，竭力前行。