聚變能是人類通向清潔、高密度、可持續(xù)能源的重要途徑，其中氕、氘和氚構(gòu)成的燃料體系具有能量密度高、燃燒清潔的特點(diǎn)，但三者在物理化學(xué)性質(zhì)上極為相似，長期以來高效分離與循環(huán)利用成為聚變能實(shí)現(xiàn)的核心瓶頸。同時(shí)，核裂變能源利用中產(chǎn)生的高放射性廢液富含可再利用的高附加值核素，如 U、Am 和稀土元素，但其高酸度、高輻照和復(fù)雜體系極大增加了分離難度。氚及部分錒系元素也是核廢水和高放廢液中的重要放射性污染源，福島核電站事故后核廢水排放問題再次凸顯了這一全球性挑戰(zhàn)。因此，在復(fù)雜、極端環(huán)境下實(shí)現(xiàn)同位素和離子的精準(zhǔn)分離，不僅是核科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的核心科學(xué)問題，也是實(shí)現(xiàn)核能閉式循環(huán)和清潔利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

針對這一重大科學(xué)與戰(zhàn)略需求，蘭州大學(xué)稀有同位素前沿科學(xué)中心陳熙萌、李湛團(tuán)隊(duì)在二維限域調(diào)控與核能循環(huán)分離體系領(lǐng)域取得了一系列原創(chuàng)性突破。圍繞“在二維限域環(huán)境中實(shí)現(xiàn)能量調(diào)控與結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性”這一核心科學(xué)問題，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了從氫同位素到放射性離子的統(tǒng)一二維限域調(diào)控體系。相關(guān)研究成果相繼發(fā)表于美國物理學(xué)會（APS）權(quán)威期刊《物理評論X輯—能源》（PRX Energy作為APS旗下PRX系列的高度遴選期刊，自2022年創(chuàng)刊以來聚焦物理與能源科學(xué)的深度交叉，致力于刊載具有卓越與持久影響力的重大突破性成果），以及英國皇家化學(xué)會旗艦期刊《化學(xué)科學(xué)》（Chemical Science ）并被選為期刊封面。

光控納米限域：實(shí)現(xiàn)氫同位素動態(tài)調(diào)控的新機(jī)制

二維膜分離的核心限制在于通道結(jié)構(gòu)幾乎完全靜態(tài)，層距在運(yùn)行中難以改變，因此篩分能力被固定在單一孔徑—擴(kuò)散動力學(xué)匹配點(diǎn)上，難以突破結(jié)構(gòu)固有限制。蘭州大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了二維限域的動力學(xué)可編程調(diào)控，提出：如果二維通道可以在運(yùn)行中可逆壓縮或擴(kuò)張，那么 H?O 與 D?O 在不同通道狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)與動力學(xué)差異將被顯著放大，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)膜的選擇性。然而，要在納米尺度產(chǎn)生幾埃量級、同時(shí)穩(wěn)定且可逆的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，長期以來缺乏可行的物理驅(qū)動力。液態(tài)金屬鎵的引入實(shí)現(xiàn)了這一跨越。鎵在室溫呈液態(tài)，其表面張力對溫度極為敏感，宏觀行為由 E?tv?s 定律刻畫：升溫降低表面張力并促使液態(tài)金屬鋪展，冷卻則相反。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，這類界面自由能變化屬于宏觀尺度物性，難在納米尺度有效傳遞，更難誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變形。然而，團(tuán)隊(duì)將納米級鎵顆粒嵌入氧化石墨烯（GO）層間，建立了前所未有的跨尺度耦合結(jié)構(gòu)，使“宏觀表面張力變化”首次成功轉(zhuǎn)化為“納米通道力學(xué)響應(yīng)”。光照觸發(fā) GO 的光熱效應(yīng)后，鎵表面能降低并發(fā)生層間鋪展，從而驅(qū)動 GO 層距從約 8.7 ? 可逆收縮至約 6.8 ?；冷卻后結(jié)構(gòu)完全恢復(fù)。二維限域因而獲得了真正意義上的動態(tài)可控能力。

這一機(jī)制不僅被層距表征所證實(shí)，還首次通過原位可變溫 TEM 直接觀測到 GO 包覆的鎵納米顆粒在溫度變化下發(fā)生真實(shí)的可逆漲縮：25°C 升至 80°C，顆粒投影面積增加約 10–12%，冷卻后完全恢復(fù)。影像結(jié)果表明鎵在 GO 層間處于穩(wěn)定的過冷液態(tài)，確保調(diào)控過程始終具備表面張力響應(yīng)能力；同時(shí)也表明液態(tài)金屬在二維限域中依然保持跨尺度一致的熱漲縮行為，為液態(tài)金屬界面物理提供了新的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并首次在二維材料體系中構(gòu)建起可編程、可循環(huán)的通道力學(xué)調(diào)控方式?；谶@一動態(tài)限域機(jī)制，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了氫、氘、氚水在亞納米通道中的遷移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)限域效應(yīng)會顯著放大輕重水在氫鍵強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)重排能壘與擴(kuò)散動力學(xué)上的本征差異：H?O 因氫鍵弱、更易形成鏈?zhǔn)絺鬏?，?D?O 與 T?O 的擴(kuò)散速率因更強(qiáng)氘鍵而顯著下降。該 GO–Ga 復(fù)合膜在 60% D?O 條件下實(shí)現(xiàn) H/D 分離因子 70.53，在常用 10% D?O 條件下 H?O 通量超過 D?O 五倍，并在真實(shí)核電站氚水中無需任何化學(xué)調(diào)節(jié)即可達(dá)到約 20% 的選擇性去除率。該成果突破了傳統(tǒng)膜分離中通量與選擇性之間難以兼得的限制，為聚變?nèi)剂涎h(huán)提供了低能耗、高效率的新思路。

限域氧橋聯(lián)策略：在極端條件下實(shí)現(xiàn)放射性離子高精度分離

在發(fā)表于Chemical Science的封面論文中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將二維限域思想拓展到高放廢液中放射性離子的選擇性分離問題。研究提出“限域氧橋聯(lián)”策略，通過在氧化石墨烯層間原位誘導(dǎo)形成金屬氧橋（M–O–M）鍵，構(gòu)筑出結(jié)構(gòu)高度有序、化學(xué)鍵強(qiáng)化的二維金屬有機(jī)框架膜。該結(jié)構(gòu)形成了兼具平行與垂直雙通道的離子傳輸網(wǎng)絡(luò)，在7.5 M硝酸和200 kGy輻照等極端環(huán)境下仍保持完整結(jié)構(gòu)和高效性能。通過雙通道協(xié)同作用，該膜實(shí)現(xiàn)了對核廢液中線形錒系離子（UO?2?、AmO?2?）與球形鑭系離子（Ln3?）的高精度分離，分離因子超過500，水通量較傳統(tǒng)GO膜提高16.7倍，展現(xiàn)出優(yōu)異的通量—選擇性平衡和輻射穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究首次實(shí)現(xiàn)了二維MOF膜在強(qiáng)酸、高輻照條件下的長期穩(wěn)定運(yùn)行，為核燃料后處理與高放廢液資源化提供了可靠的結(jié)構(gòu)化材料平臺。

PRX Energy的工作從能量輸入角度揭示了動態(tài)可控的同位素輸運(yùn)機(jī)制，展示了光熱與表面能協(xié)同調(diào)控的物理本質(zhì)；Chemical Science則從化學(xué)鍵構(gòu)筑角度建立了穩(wěn)定可擴(kuò)展的二維通道結(jié)構(gòu)，解決了高放廢液分離中材料失穩(wěn)的難題。二者共同構(gòu)成了“能量驅(qū)動—結(jié)構(gòu)穩(wěn)固—多場協(xié)同”的二維分離科學(xué)框架，實(shí)現(xiàn)了從氫同位素到放射性離子的跨體系統(tǒng)一。這一框架為核能循環(huán)提供了基礎(chǔ)科學(xué)支撐，也為實(shí)現(xiàn)聚變與裂變能的清潔協(xié)同利用開辟了新路徑。

兩篇論文的通訊作者均為陳熙萌教授與李湛研究員。PRX Energy論文第一作者為劉天琦與梁文彬博士，Chemical Science論文第一作者為郝亞新博士，中國原子能研究院丁有錢研究員在研究中提供了重要支持，吳王鎖教授為該系列工作提供了重要支持。該工作得到甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、甘肅省重點(diǎn)人才項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及蘭州大學(xué)“雙一流”建設(shè)計(jì)劃及稀有同位素前沿科學(xué)中心等項(xiàng)目資助。

產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

在由國務(wù)院國資委主導(dǎo)舉辦的第四屆中央企業(yè)熠星創(chuàng)新創(chuàng)意大賽中，基于前述核心技術(shù)孵化的 “常溫水同位素膜分離系統(tǒng)”項(xiàng)目，從全國5067個(gè)參賽項(xiàng)目中脫穎而出，成功晉級全國總決賽64強(qiáng)（位列前1.3%），并最終榮獲大賽三等獎。熠星大賽是由國務(wù)院國資委主辦，國家發(fā)展改革委、科技部、中國科協(xié)等多家單位共同支持的國家級頂級創(chuàng)新賽事，是當(dāng)前央企系統(tǒng)最高級別的創(chuàng)新大賽，是貫徹落實(shí)科技創(chuàng)新決策部署，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的一項(xiàng)重要舉措。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)出一款小型化低氘水生產(chǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了低能耗、模塊化、可規(guī)?；\(yùn)行的氘水分離系統(tǒng)，可穩(wěn)定生產(chǎn)氘含量60～100 ppm的低氘水產(chǎn)品。該設(shè)備已完成實(shí)驗(yàn)室到工程樣機(jī)的轉(zhuǎn)化，具備批量化能力，可廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)與健康等領(lǐng)域，充分展示了科研成果向?qū)嶋H產(chǎn)業(yè)落地的良好前景。

編輯：王文樂

責(zé)編：彭倩