作者:王殳凹等 来源:《自然》 发布时间:2023/4/23 9:40:27
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稳定六价镅,他们让核废料“变废为宝”

 

在科学家眼中,核废料并不是完全意义上的“废物”,其中还有许多可以利用的资源。比如,人们眼中的核废料——钚238是非常好的热源,可以用于核电池燃料,美国的好奇号火星车正是运用的钚热核电池;锝99m衰变发射光子、碘131衰变发射电子,可用于医学影像检查和治疗;碳14能用来测定古生物化石年代等。

特别是“我国是一个贫铀国家,乏燃料的后处理和循环利用对我国核电的发展具有重大意义。” 苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室教授王殳凹说。

4月20日,王殳凹团队联合清华大学、美国科罗拉多矿业大学、德国于利希研究中心、上海科技大学等放射化学领域研究人员,以“六价镅的金属杂多酸化合物与镧系间的超滤分离”为题,相关成果发表在《自然》上。这一成果将为乏核燃料后处理、核废物处置中的关键核素分离过程提供一种全新的思路。

殳凹(左)指导学生做实验.课题组供图

从核废料中精准提取镅

“乏燃料中的铀和钚可以通过后处理工艺提取出来,再重新作为核燃料投入到核电站中使用,而经过铀、钚分离后残存的次锕系元素,则很难再处理。”王殳凹介绍道,这些次锕系元素都具有强放射性,且相关同位素的半衰期在几百年到几百万年间不等,目前只能采取固化后深度掩埋方式处理。而这些核废料在地底就像一颗颗“定时炸弹”,一旦发生泄漏,对自然环境将造成不可估量的危害。

王殳凹解释道,镅作为次锕系元素之一,是经过后处理核废料长期放射毒性的主要来源,如果能将镅分离出来进行嬗变处理,只需要200年时间,这些乏燃料的放射性就可以衰变到天然铀矿水平。“镅的化学性质与核废料中共存的三价镧系元素十分相似,因此其提取和分离成为放射化学领域最具挑战性的科学难题之一。”

“如果能将三价镅氧化到六价,利用六价镅与三价镧系间配位构型的差异实现分离,可有望从根本上解决镧锕分离难题。”文章共同通讯作者、苏州大学放射医学与防护学院教授王亚星告诉《中国科学报》,可是六价镅在传统萃取分离过程中仅能存在数秒时间,极易被还原为三价,从而造成分离困难。

通过实验,研究团队设计了一例可精准匹配六价镅配位构型的无机缺位多酸簇合物,它不仅可与六价镅发生极强的络合作用,而且于六价镅来说是一种具有“化学惰性”和“位阻效应”的保护性基团,能够将酸性溶液中的六价镅稳定超过24小时,从而为后续的分离过程提供了前提。

“通过我们的分离方法,可从化学组成极为复杂的核废料中精准提取出镅,单次回收率高达91 %。”王殳凹说,掌握这项技术可以极大降低核废料的长期放射性毒性,使我国摆脱对进口镅的依赖。作为稀有元素,从日常生活中的测厚仪、烟雾报警器到未来发展的太空核电池,镅有着广阔的应用前景,是国家的重要战略资源。

“这一实验设计极其巧妙,有望改变全球核废物处理的基本范式。”这是《自然》审稿人对该成果的评价。

几经“闯关”终获最好分离效果

这一科研攻关远没有预想那般顺利。

团队首先要面对“镅”的氧化问题。通过反复实验,他们发现,传统方法只适用于低浓度镅的氧化,浓度一旦提高到真实核废液水平,实验数据和结果就非常不理想。改进后,他们采用“电化学”方法进行氧化,虽然实验取得了部分成功,但遇到了新问题,由于对镅的氧化不彻底,造成分离上的困难。

正在大家一筹莫展的时候,王殳凹联系到了清华大学放射化学团队副教授徐超。在他的协助下,团队选用了徐超推荐的厂家所生产的化学氧化剂,解决了这一长时间困扰的难题。

“虽然我们之前也用铋酸钠,但是不同厂家生产的同一种氧化剂也会造成实验结果的巨大偏差。”论文共同第一作者、苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室副研究员张海龙表示。

进入镅的提取阶段,团队最早的策略是通过让高价锕系元素结晶,低价镧系元素不结晶来实现分离,而在这一方案具体实施时,他们发现,结晶过程不仅会夹带过多的杂质,而且受到结晶率的影响,分离效果远未达到预期。

在一度想放弃的时候,课题组的其他工作给了他们启发,为什么不能尝试一下生物学领域广泛运用的超滤方法?没想到这一启发却收获“奇效”。利用镅多酸纳米复合物与水合镧系离子之间的显著尺寸差异,结合商用超滤技术,团队最终获得了基于六价镅的最好分离效果。

“车轮战术”分担辐射剂量

在苏州大学放射医学与防护学院深处的超铀实验室,三位身穿笨重铅衣的实验员正紧张地忙碌着。主操员低头专注于实验平台上放射性物质的操作,辅助人员根据主操作员的指令进行配合,第三人则手持一个用于探测辐射强度的盖革记数仪器,实时监测是否有放射性物质的泄露。他们胸口上还会随身佩戴一个辐射计量器,一旦主操作员身上的计量器数值报警,三人分工就会发生一次轮换。

“辐射会随着与放射源的距离变远而衰减。”文章共同第一作者、苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室科研助理李奡介绍道,由于镅的相关同位素在衰变过程中会产生伴生高能伽马射线,在做一些辐射剂量较大的实验时,研究人员在做好防护的同时,会采取这种“车轮战术”来分担辐射剂量,最大限度保护实验人员的健康。

不断试错也给课题组带来了焦虑情绪,如何应对科研的“精神内耗”,王殳凹有自己的“诀窍”。即使再忙,他总会见缝插针带领团队打上一场篮球。“通过体育运动不仅能够缓解沉重的科研压力,而且还与组内的师生形成了良好的交流,增强了团队的凝聚力。”王殳凹表示,他们组成的代表队,在学校、学院的比赛中取得了不错的成绩,科研之余约一场球已成为约定俗成的惯例。

“每次大家在球场上挥汗如雨后回到实验室,都能以良好的精神状态去迎接富有挑战性的工作。”李奡说。(来源:中国科学报 温才妃 尹喆)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-023-05840-z

 
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