开启绿色核能发展之路——记中国科学院上海应用物理研究所研究员刘洪涛

本刊记者 陈 璐

在实验室

在能源日益贫乏的当今社会，发展新能源和绿色能源是解决能源危机的关键。其中，核能以其巨大的发展潜力占据了新能源开发的绝大优势。然而，纵观核能领域发展态势，核燃料后端科研力量成为我国核能产业快速发展的薄弱环节。

其中，锕系元素在核能中处于核心地位，核反应堆燃料的制备、运输、存储及再利用及处理均属于锕系范畴。因此，深入探索锕系元素自身电子结构、化学键性质和反应动力学等成为推动我国能源产业发展的关键一环。刘洪涛长期从事分子团簇结构和反应动力学基础研究，对此深有体会。拥有化学、物理基础背景的他，凭借负离子光电子能谱技术研究重元素化合物电子结构和化学键项目取得的优异成果，引起了业内广泛关注。

兴趣指引 勇攀科技高峰

1997年，高中毕业的刘洪涛，出于对化学方面的兴趣，选择了河南师范大学化学教育专业，并梦想着大学毕业后能够登台执鞭，成为一名光荣的人民教师。可是，当他通过大学物理化学的系统学习后，就被这门学科的魅力所深深吸引，科研的魔力让他不甘心就此止步。

因为喜欢所以选择，因为选择所以更加热爱。他决定暂时搁浅教师计划，继续进行学习深造。经过刻苦努力，大学毕业后顺利考取了中国科学院化学研究所，开始了他为期五年的硕博生涯。

在中国科学院化学研究所，刘洪涛师从唐紫超研究员，开始了复杂体系的分子反应动力学基础研究工作，包括多元团簇形成、结构和性质；发展用于复杂体系尤其是生物大分子质谱和光谱的分析方法等。在此期间的学习，对他未来的科研发展之路至关重要，锕系元素的大门为他敞开。

在追求知识和做科研的道路上，永无止境。随着刘洪涛对分子团簇结构和分子反应动力学研究的日益深入，他深切地感到自己想学习的东西还有很多，那种对于新知识、未知科研领域的渴望与好奇，让他无限着迷。“这就像圆规画圆一样，当你了解的知识越多，圆的半径越大，就越需要更多的知识来将圆画满。”

为了拥有更加完善的知识体系以支撑未来的探索研究，刘洪涛于2006年踏上了出国留学征程，这一走就是7年多。2006年到2010年，刘洪涛在德国的Max-Born-Institute研究所，师从Prof.Ingolf V. Hetel。三年半时间，刘洪涛从最初的洪堡学者，逐渐成长为一名优秀的博士后，他主要的研究方向是水和钠—水团簇的光激发态衰变超快动力学。

在哈佛_罗兰德研究所

当多年的学习研究结出累累硕果时，对新知识充满无限渴望的刘洪涛在2010年离开德国，赶赴美国布朗大学继续深造，师从华人教授王来生。从此，他的研究又走上一个新的高度。在之后4年的学习、工作中，他把主要精力全都放在发展高分辨冷离子光电子成像技术上，并研究了低温负离子偶极束缚态电子自剥离以及激光态电子跃迁动力学，他想在这一领域开辟了一块新天地。

在此期间，他带领团队成功搭建了基于电喷雾离子源（ESI）的低温离子阱—高分辨光电子成像装置，该成像装置在慢电子动能测量分辨率达到了0.5me V，整体性能在世界同类仪器中处于领先水平。这一研究成果，不仅是对刘洪涛多年科研心血的结晶，更是为其以后研究锕系元素的电子结构和化学键奠定了坚实根基。

回顾7年多的异乡求学路，刘洪涛感慨万千，从少年弱冠到中年不惑，他将自己最美好的青春献给了衷情的科研事业。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。他谦虚地认为，在追求知识、探索科研的道路上，自己才迈出了一小步，穷尽一生才是心中所望。

毅然归国 开拓领域新方向

幼时不知家乡好，今日方感一人难。7年的海外求学，刘洪涛学到了知识，增长了见识，但他的内心无时无刻不在想念着自己的家乡。那颗远离故土的游子之心，始终与祖国紧紧相连。“当时我每天都会看国内新闻，了解国内现在的发展状况，并希望有一天能够回国，为祖国的发展尽上自己的一点绵薄之力。”

近年来，中国政府多举并措大力发展核能产业，并给予诸多财政支持与政策倾斜，这意味着国内科研环境形势将会一片大好。其实，从2011年开始，刘洪涛就想着“一定要回国”，这个强烈的念头始终盘踞脑海，但源于此时美国布朗大学的学业才刚刚开始，回国之路只能暂时被搁置。

2014年1月，在美国完成三年半的学习后，刘洪涛立刻着手申请回国。最终，经过多方沟通，刘洪涛在阔别故土7年后，又回到了祖国的怀抱，亲身感受到了那份割舍不断的“母子”情深。

归国后，刘洪涛便在中国科学院上海应用物理研究所担任研究员，在这里也确定了今后的研究方向，即利用负离子光电子成像技术研究锕系元素化合物的电子结构和化学键，并成为该领域系统化研究的引领者。

锕系元素这一类具有放射性的化学元素，通过核裂变能够产生巨大的核能量。如果将这些核能量聚集起来，可以转化成水和水蒸气的内能，进而转化成发电机转子上的机械能，最终可被转化为电能。相比传统的燃煤发电，核能发电产生的危害异常小，对环境污染可忽略不计，而且能大大缓解不可再生能源存储上的压力。世界各国几乎都看到了核能发电的巨大优势，纷纷在合适地域建立核电站发电。

中国更是将积极发展核能产业当作一项长期重大战略来抓，把其当作我国未来能源发展的绿色支柱。而先进的核燃料和乏燃料后处理技术是实现核能可持续发展的两个重要条件。而锕系化合物的化学价态、配位结构和反应性是重点研究内容，其对预测燃料性能和选择化学分离技术及工艺参数有重要意义。源于锕系元素分子结构的特殊性，一般的科研机构很难达到研究反射性元素的条件，因此在国内与锕系元素分子结构表征、化合物成键性质等相关的研究成果极少。

刘洪涛愿意迎接这一挑战。外部有国家对核能利用的重视，再加上中国科学院上海应用物理研究所这个高端平台，让长期从事分子团簇结构和反应动力学基础研究的刘洪涛有了发挥的空间。他所带领的科研团队，目前主要面对锕系化合物电子结构、成键和化学反应的规律这一重大需求，提出了研制一台用于分子和团簇电子结构研究的高分辨低温负离子慢电子成像谱仪。为表征锕系元素分子和团簇电子结构和化学成键研究提供全新的方法，有力推动我国锕系元素理论和实验研究的发展。对于发展先进核燃料循环技术以及寻找有效的乏燃料化学分离技术都起着关键作用。

已知232Th吸收中子经过两次衰变能转换成易裂变核素233U，基于钍-铀核燃料循环提供的核能要比铀-钚循环更高效、环保和安全。刘洪涛介绍，自然界中的铀元素储量有限，钍元素资源在核能中的表现日益受重视。但由于锕系元素。其未充满的5f与6d电子壳参与化合物成键，由于重元素的强相对论效应以及复杂的电子相关效应，使得其原子和化合物电子结构十分复杂，科学研究面临严峻考验。

刘洪涛目前主要研究项目就是研制一台之前在海外研究的负离子光电子成像设备，对铀元素、钍元素的化学性质、电子结构特点等进行深入探索，借助高端设备必将加快科研速度。但因之前国内科研环境、人才所限，此类课题研究相当于空白一片，难以借鉴。虽然属于摸着石头过河，可能会面临无数未知的科研难题，但凭借多年科研经验和丰富知识架构，刘洪涛仍然对未来的科研之路充满了信心。

“如果没有困难，那是不可能的，目前最棘手是硬件设备及人才配备。”谈及此，他如是说。在硬件设施筹建方面，国家一边大力引进高端外国设备，一边投入巨额资金鼓励研发创新。在科研团队的组建方面，刘洪涛一边做潜心科研，一边招募相关专业的研究生，很快便成立了自己的科研小组，顺利开启了他在国内的锕系元素化学研究之路。

逆风，更要勇于飞翔。在几乎空白的研究领域里，借助国家政策及团队支撑，刘洪涛把新观点融入其中。

心忧未来 推动绿色核能进程

刘洪涛在上大学之初的梦想是当老师。回国后，他除了做科研，还接手了一个由10多个人组建的熔盐物化课题小组，做起了承担工程、培育新人的工作。

刚刚接手课题小组时，刘洪涛坦言多少是有些不适应。他积极适应团队、领导团队，给每个人分配相应工作，并给出恰当指导和建议，提高每一个小组成员的存在感和成就感。因为他深知如今的科研不再是单打独斗的时代了，需要团队协同作战、通力合作。

目前，刘洪涛参与了2011年中科院启动的先导A专项“未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能系统”。该项目不论从立项背景还是长远目标，于刘洪涛来说都很有意义。

地球上的钍元素蕴藏量巨大，可以通过多种方式将它转换为核能源。曾有专家预言，我国作为钍资源大国，如果能够真正使用潜在的核资源钍-232，把钍用于核能，则我国能源供应一千年都不成问题。但钍不能直接使用，需要先通过核反应将其转成铀233再使用。在某种意义上说，钍基熔盐堆是第四代反应堆核能系统的六种候选堆型之一，能满足未来20—30年后核能产业发展的需求。它是一种液态燃料堆，使用钍铀核燃料循环，以氟化盐为冷却剂，将天然核燃料和可转化核燃料熔融于高温氟化盐中，携带核燃料在反应堆内部和外部进行循环。

两院院士路甬祥对该项目寄予厚望：“需要30年的持续攻关，这一专项才能真正转变为可能工业化和商业化的科技成果。”他希望，“在20～25年后，企业能够成为钍基熔盐核能系统发展的主角。”

参与这一项目的每一个人都知道，这是一项艰巨复杂的工程，必须从钍基熔盐堆的基本科学问题研究入手，不断深入了解钍基熔盐堆科学规律，才能实现到2020年掌握钍基熔盐堆核能系统所有核心技术并最终实现产业化的目标。对此，刘洪涛也表示，非常高兴能参与其中，为国家的长远发展尽一份力量。在新一代核能科学家的努力下，我们也有信心憧憬：新一代核能会带着绿色、和平的印记，伴随人类走向未来。