科学处理核废物 持续发展核能源

武光磊

21世纪科技高速发展，经济日益提升，而作为支撑我国经济高速发展的支柱之一，能源在其中占据了举足轻重的地位。与传统能源相比，核能具有高能效、低污染、经济、可持续发展的优点。随着时代发展与科技进步，国家和社会对于核能技术的应用也变得越来越广泛。如今，中国作为世界上第一大能源生产国和消费国，发展核能事业是大势所趋。

从科学的角度讲，地球上可控的核能发展，大体上将经历由利用核裂变能走向利用核聚变能两大阶段。目前在核聚变能未开发利用之前，我们仍需要大力发展核裂变能，以缓解目前及今后很长一段时间能源供应紧张的情况。尽管相对于化石燃料，核裂变发电具有成本低、相对清洁等优点，但它的发展也带来了不少亟须解决的问题，如乏燃料和核废物的处理与处置、铀资源的匮乏等。

核能的可持续发展离不開高效和环境友好的核燃料循环体系以及安全可靠的核废物环境行为影响评价机制。作为支撑中国核能事业发展的中坚力量之一，清华大学核能与新能源技术研究院针对国家发展在能源、环境和资源领域所面临的挑战，承担着重要使命。身为其中的一份子，清华大学核能与新能源技术研究院副教授徐超，多年来就将研究重点放在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上，在高放废液处理、锕系元素溶液配位化学、放射性核素分离新方法等方面开展了系列基础及应用研究工作，为中国核能事业的可持续发展贡献着属于自己的“核动力”。

与核结缘，坚定自己的人生志向

1982年5月，徐超出生于素有“江湖锁钥、水陆通津”之美誉的江西省湖口县。与大多数出身于农村的青年学子一样，在上大学之前，徐超对家乡外面的世界认知很少，通过学习改变自己的命运便是他不断前行的初衷。

因为中学时期对数理化的热爱，高考时，徐超选择报考了北京大学的理科专业。功夫不负有心人，2000年，徐超顺利考入北京大学技术物理系的应用化学（原放射化学）专业，在这里展开了全新的学习和探索之旅。

21世纪开局之初，我国核物理以及核化学等领域的发展均处于低潮期。在此背景下，国家为发展“两弹一星”事业所设立的北京大学技术物理系于2001年进行了调整分拆，原本在技术物理系就读的徐超，也随着专业划分进入了北京大学化学与分子工程学院。在学期间，他先后获得“北京大学三好学生标兵”“北京市三好学生”等荣誉称号。

2003年前后，国际及国内的形势发生了重大转变。我国开始重视核能、核电的发展，相关专业也越来越受到国家重视。为了进一步夯实学术基础，徐超在本科毕业后选择在北京大学化学与分子工程学院继续深造。在硕博连读期间，徐超一直从事放射性废物处理的相关工作，他还与清华大学科研团队合作，用长达3～4年的时间，投入到国防基础科研项目的研究中，于2009年顺利获得理学博士学位，以优异的成绩荣获“北京大学优秀博士毕业生”称号。

博士毕业后，徐超面临着诸多抉择。当时，国家在核能领域的人才资源及研究队伍紧缺。在这一背景之下，清华大学设立了“235人才计划”，决定在这一计划的支撑下从清华、北大的优秀应届博士毕业生中挑选一批科研人才，充实到核能与新能源技术研究院的研究队伍之中。因为在博士期间与清华大学核能与新能源技术研究院相关科研团队合作过，徐超对这一平台十分了解和向往，利用“235人才计划”这一契机，他顺利通过多轮筛选，来到了清华大学核能与新能源技术研究院，从事相关研究工作至今。

积淀创新，聚焦高放射性核废物处理

从北大到清华，虽然研究平台改变了，但徐超为国家核能事业做贡献的科研初衷一直从未动摇。来到清华大学核能与新能源技术研究院之后，徐超加入了核化学化工研究室。在这一平台的支撑下，他结合自己的背景特长，围绕放射性废物处理与处置这一领域，在高放废液分离化学、锕系元素溶液化学、放射性核素分离新材料等方面开展了一系列基础及应用研究工作。

由于核能与新能源技术研究院属于工科性质院系，主要面向的是核能领域的工程应用。在工作过程中，徐超希望自己能够在核废物处理相关的基础化学研究方面有更加深厚的科研积淀，以更好地服务于工程应用。为了拓宽自己的科研视野，学习到更加前沿的领域知识，徐超于2011年在国家留学基金委的支持下，前往美国劳伦斯伯克利国家实验室从事访问研究。

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。

对于核化学化工研究，徐超还特别强调国家层面支持的重要性和团队作战的优势。“清华大学核化学化工团队能够长期致力于核废物处理研究，离不开一直以来国家主管部门、清华大学及该团队所在的核能与新能源技术研究院的大力支持”。“我自己所取得的一点成绩也离不开团队长期以来的支持。我们团队成员彼此分工有所不同，各有特长，相互密切合作，共同推进国家重大项目的实施和核化学化工技术的突破。”徐超强调。

面向现状，消除公众疑虑促进成果转化

科研创新是科学家终生的事业。在从事科学研究的过程中，徐超从未忘却自己的创新使命，并在致力于开拓原创性科研成果的道路上坚持探索。现如今，国家对于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领域的研究投入逐渐加强，人才队伍也越来越强大，作为博士生导师，徐超也希望自己的学生能在研究兴趣的驱使下，开展自主创新研究工作，为相关领域的发展做出贡献。

前路是光明的但也充满了曲折，在核能发展的道路中仍有许多困难亟待解决。发现和认识核能，是20世纪人类最伟大的科学成就之一。但在徐超看来，目前最大的挑战就是公众对于核领域研究以及核废物处理的认识还远远不够。

中国工程院院士杜祥琬曾在“中国科学与人文论坛”第128场报告会上指出：“人类既然认识到核能的巨大潜力和价值，就不可能把它锁在抽屉里、关在笼子里，必然会努力去开发它、掌握它，使之成為人类的驯服工具。不驾驭核能才是真正的危险。”

回首过去，在世界核电发展史上，曾爆发多次核泄漏事件。美国的三里岛核电站事故，苏联切尔诺贝利核泄漏事故，日本的福岛核电站事故……曾令人们“谈核色变”，以至于现在大部分人还是对核能呈现一种戒备心与警惕心。

要使专业人员和公众都接受核电与其他发电方式相比是一种安全的能源这一观念，尤其是要使他们对其中的效益和风险有完全和准确的了解。身为这一领域的科研人员，徐超深知自己肩上担负的职责。“科研工作者仍需修炼内功，提高自己的技术水平，进一步消除公众对于‘核的恐惧。”徐超说。

科学研究要面向国家重大战略需求。从基础化学工艺到设备开发研究，徐超还将与团队成员一起基于已有的研究基础，将研发的技术尽快推向应用。“目前，国家正在考虑建设乏燃料大型后处理厂，基于国家的需求，我们希望能将团队所研发的科研技术和国家乏燃料后处理厂衔接起来，展开应用。在高放废液的分离工艺研究中，我们将致力于把核废料更多有用的核素回收利用起来，以减少环境污染。”徐超说。

放射性核素高效分离与核废物处理事业任重而道远，作为祖国核领域的千千万万个科学研究者之一，徐超还将不负使命，竭力前行。