文 ｜ 《中國科學報》 記者 溫才妃 通訊員 尹喆

在科學家眼中，核廢料並不是完全意義上的廢物，其中有許多可以利用的資源。比如，鈽238是非常好的熱源，可用於核電池燃料；鎝99m衰變發射光子、碘131衰變發射電子，可用於醫學影像檢查和治療；碳14能用來測定古生物化石年代等。

特別是，「我國是一個貧鈾國家，乏燃料的後處理和循環利用對我國核電發展具有重大意義」。蘇州大學放射醫學與輻射防護國家重點實驗室教授王殳凹說。

近日，王殳凹團隊聯合清華大學、美國科羅拉多礦業大學、德國於利希研究中心、上海科技大學等機構的研究人員，以《六價鋂的金屬雜多酸化合物與鑭系間的超濾分離》為題，將相關成果發表於《自然》。這一成果將為乏核燃料後處理、核廢物處置中的關鍵核素分離過程提供一種全新的思路。

從核廢料中精準提取鋂時

「乏燃料中的鈾和鈽可以通過後處理工藝提取出來，再作為核燃料重新投入核電站中使用，而經過鈾、鈽分離後殘存的次錒系元素，則很難再處理。」王殳凹介紹，這些次錒系元素具有強放射性，且相關同位素的半衰期在幾百年到幾百萬年間不等，目前只能採取固化後深度掩埋方式處理。而這些核廢料在地底就像一顆顆定時炸彈，一旦發生泄漏，將對自然環境造成不可估量的危害。

王殳凹解釋，鋂是次錒系元素之一，如果將鋂分離出來進行嬗變處理，只需要200年，其放射性就可以衰變到天然鈾礦水平。「鋂的化學性質與核廢料中共存的三價鑭系元素十分相似，因此其提取和分離成為放射化學領域最具挑戰性的科學難題之一。」

「如果將三價鋂氧化到六價，利用六價鋂與三價鑭系間配位構型的差異實現分離，有望從根本上解決鑭錒分離難題。」論文共同通訊作者、蘇州大學放射醫學與防護學院教授王亞星告訴《中國科學報》，可是六價鋂在傳統萃取分離過程中僅能存在數秒，極易被還原為三價，從而造成分離困難。

通過實驗，研究團隊設計了一例可精準匹配六價鋂配位構型的無機缺位多酸簇合物。它不僅可與六價鋂發生極強的絡合作用，而且對六價鋂來說是一種具有「化學惰性」和「位阻效應」的保護性基團，能將酸性溶液中的六價鋂穩定超過24小時，而這正是後續分離過程的前提。

「利用我們的分離方法，可從化學組成極為複雜的核廢料中精準提取出鋂，單次回收率高達91%。」王殳凹說，掌握這項技術可以大幅降低核廢料的長期放射性毒性，使我國擺脫對進口鋂的依賴。從日常生活中的測厚儀、煙霧報警器到未來發展的太空核電池，稀有元素鋂有著廣闊的應用前景，是國家重要的戰略資源。

《自然》審稿人評價：「這一實驗設計極其巧妙，有望改變全球核廢物處理的基本範式。」

幾經「闖關」終獲最好分離效果

這一科研攻關遠沒有預想那般順利。

團隊首先面對的是鋂的氧化問題。通過反覆實驗，他們發現，傳統方法只適用於低濃度鋂的氧化，濃度一旦提高到真實核廢液水平，實驗數據和結果就非常不理想。改進後，他們採用電化學方法進行氧化，雖然實驗取得了部分成功，但遇到了新問題——由於鋂的氧化不徹底，造成分離上的困難。

正在大家一籌莫展的時候，王殳凹聯繫到了清華大學放射化學團隊副教授徐超。在他的協助下，團隊選用了徐超推薦的廠家生產的化學氧化劑，解決了這一難題。

「不同廠家生產的同一種氧化劑也會造成實驗結果的巨大偏差。」論文共同第一作者、蘇州大學放射醫學與輻射防護國家重點實驗室副研究員張海龍表示。

進入鋂的提取階段，團隊最早的策略是讓高價錒系元素結晶、低價鑭系元素不結晶以實現分離。而在這一方案具體實施時，他們發現，結晶過程不僅會夾帶過多雜質，而且受到結晶率的影響，分離效果遠未達到預期。

這時，課題組的其他工作給了他們啟發，為什麼不能嘗試一下生物學領域廣泛應用的超濾方法？結果收到了「奇效」。利用鋂多酸納米複合物與水合鑭系離子之間的顯著尺寸差異，結合商用超濾技術，團隊最終獲得了基於六價鋂的最好分離效果。

「車輪戰術」分擔輻射劑量

在蘇州大學放射醫學與防護學院深處的超鈾實驗室，3位身穿厚重鉛衣的實驗員正緊張地忙碌著。

主操作員低頭專注於實驗平台上放射性物質的操作，輔助人員根據主操作員的指令進行配合，第三人則手持一個用於探測輻射強度的蓋革記數儀器，實時監測是否有放射性物質泄漏。他們胸口上佩戴著輻射計量器，一旦主操作員身上的計量器報警，三人分工就會輪換一次。

「輻射會隨放射源變遠而衰減。」論文共同第一作者、蘇州大學放射醫學與輻射防護國家重點實驗室科研助理李奡介紹，由於鋂的相關同位素在衰變過程中會伴生高能伽馬射線，在做一些輻射劑量較大的實驗時，研究人員一方面會做好防護，另一方面會採取這種「車輪戰術」互相分擔，最大限度保障實驗人員的健康。

不斷試錯給課題組帶來了焦慮情緒，對此王殳凹有自己的「訣竅」——即使再忙，他也會見縫插針帶領團隊打一場籃球。「體育運動不僅能夠緩解沉重的科研壓力，還讓組內師生有了良好的交流，增強了團隊的凝聚力。」王殳凹表示，科研之餘約一場球已成為約定俗成的慣例。

「每次大家在球場上揮汗如雨後回到實驗室，都能以良好的精神狀態迎接富有挑戰性的工作。」李奡說。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05840-z