開啟綠色核能發(fā)展之路——記中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所研究員劉洪濤

本刊記者 陳 璐

在實(shí)驗(yàn)室

在能源日益貧乏的當(dāng)今社會(huì)，發(fā)展新能源和綠色能源是解決能源危機(jī)的關(guān)鍵。其中，核能以其巨大的發(fā)展?jié)摿φ紦?jù)了新能源開發(fā)的絕大優(yōu)勢(shì)。然而，縱觀核能領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)，核燃料后端科研力量成為我國(guó)核能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。

其中，錒系元素在核能中處于核心地位，核反應(yīng)堆燃料的制備、運(yùn)輸、存儲(chǔ)及再利用及處理均屬于錒系范疇。因此，深入探索錒系元素自身電子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵性質(zhì)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等成為推動(dòng)我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)。劉洪濤長(zhǎng)期從事分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究，對(duì)此深有體會(huì)。擁有化學(xué)、物理基礎(chǔ)背景的他，憑借負(fù)離子光電子能譜技術(shù)研究重元素化合物電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵項(xiàng)目取得的優(yōu)異成果，引起了業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。

興趣指引 勇攀科技高峰

1997年，高中畢業(yè)的劉洪濤，出于對(duì)化學(xué)方面的興趣，選擇了河南師范大學(xué)化學(xué)教育專業(yè)，并夢(mèng)想著大學(xué)畢業(yè)后能夠登臺(tái)執(zhí)鞭，成為一名光榮的人民教師。可是，當(dāng)他通過大學(xué)物理化學(xué)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)后，就被這門學(xué)科的魅力所深深吸引，科研的魔力讓他不甘心就此止步。

因?yàn)橄矚g所以選擇，因?yàn)檫x擇所以更加熱愛。他決定暫時(shí)擱淺教師計(jì)劃，繼續(xù)進(jìn)行學(xué)習(xí)深造。經(jīng)過刻苦努力，大學(xué)畢業(yè)后順利考取了中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，開始了他為期五年的碩博生涯。

在中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，劉洪濤師從唐紫超研究員，開始了復(fù)雜體系的分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究工作，包括多元團(tuán)簇形成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；發(fā)展用于復(fù)雜體系尤其是生物大分子質(zhì)譜和光譜的分析方法等。在此期間的學(xué)習(xí)，對(duì)他未來(lái)的科研發(fā)展之路至關(guān)重要，錒系元素的大門為他敞開。

在追求知識(shí)和做科研的道路上，永無(wú)止境。隨著劉洪濤對(duì)分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的日益深入，他深切地感到自己想學(xué)習(xí)的東西還有很多，那種對(duì)于新知識(shí)、未知科研領(lǐng)域的渴望與好奇，讓他無(wú)限著迷。“這就像圓規(guī)畫圓一樣，當(dāng)你了解的知識(shí)越多，圓的半徑越大，就越需要更多的知識(shí)來(lái)將圓畫滿。”

為了擁有更加完善的知識(shí)體系以支撐未來(lái)的探索研究，劉洪濤于2006年踏上了出國(guó)留學(xué)征程，這一走就是7年多。2006年到2010年，劉洪濤在德國(guó)的Max-Born-Institute研究所，師從Prof.Ingolf V. Hetel。三年半時(shí)間，劉洪濤從最初的洪堡學(xué)者，逐漸成長(zhǎng)為一名優(yōu)秀的博士后，他主要的研究方向是水和鈉—水團(tuán)簇的光激發(fā)態(tài)衰變超快動(dòng)力學(xué)。

在哈佛_羅蘭德研究所

當(dāng)多年的學(xué)習(xí)研究結(jié)出累累碩果時(shí)，對(duì)新知識(shí)充滿無(wú)限渴望的劉洪濤在2010年離開德國(guó)，趕赴美國(guó)布朗大學(xué)繼續(xù)深造，師從華人教授王來(lái)生。從此，他的研究又走上一個(gè)新的高度。在之后4年的學(xué)習(xí)、工作中，他把主要精力全都放在發(fā)展高分辨冷離子光電子成像技術(shù)上，并研究了低溫負(fù)離子偶極束縛態(tài)電子自剝離以及激光態(tài)電子躍遷動(dòng)力學(xué)，他想在這一領(lǐng)域開辟了一塊新天地。

在此期間，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功搭建了基于電噴霧離子源（ESI）的低溫離子阱—高分辨光電子成像裝置，該成像裝置在慢電子動(dòng)能測(cè)量分辨率達(dá)到了0.5me V，整體性能在世界同類儀器中處于領(lǐng)先水平。這一研究成果，不僅是對(duì)劉洪濤多年科研心血的結(jié)晶，更是為其以后研究錒系元素的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵奠定了堅(jiān)實(shí)根基。

回顧7年多的異鄉(xiāng)求學(xué)路，劉洪濤感慨萬(wàn)千，從少年弱冠到中年不惑，他將自己最美好的青春獻(xiàn)給了衷情的科研事業(yè)。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。他謙虛地認(rèn)為，在追求知識(shí)、探索科研的道路上，自己才邁出了一小步，窮盡一生才是心中所望。

毅然歸國(guó) 開拓領(lǐng)域新方向

幼時(shí)不知家鄉(xiāng)好，今日方感一人難。7年的海外求學(xué)，劉洪濤學(xué)到了知識(shí)，增長(zhǎng)了見識(shí)，但他的內(nèi)心無(wú)時(shí)無(wú)刻不在想念著自己的家鄉(xiāng)。那顆遠(yuǎn)離故土的游子之心，始終與祖國(guó)緊緊相連。“當(dāng)時(shí)我每天都會(huì)看國(guó)內(nèi)新聞，了解國(guó)內(nèi)現(xiàn)在的發(fā)展?fàn)顩r，并希望有一天能夠回國(guó)，為祖國(guó)的發(fā)展盡上自己的一點(diǎn)綿薄之力。”

近年來(lái)，中國(guó)政府多舉并措大力發(fā)展核能產(chǎn)業(yè)，并給予諸多財(cái)政支持與政策傾斜，這意味著國(guó)內(nèi)科研環(huán)境形勢(shì)將會(huì)一片大好。其實(shí)，從2011年開始，劉洪濤就想著“一定要回國(guó)”，這個(gè)強(qiáng)烈的念頭始終盤踞腦海，但源于此時(shí)美國(guó)布朗大學(xué)的學(xué)業(yè)才剛剛開始，回國(guó)之路只能暫時(shí)被擱置。

2014年1月，在美國(guó)完成三年半的學(xué)習(xí)后，劉洪濤立刻著手申請(qǐng)回國(guó)。最終，經(jīng)過多方溝通，劉洪濤在闊別故土7年后，又回到了祖國(guó)的懷抱，親身感受到了那份割舍不斷的“母子”情深。

歸國(guó)后，劉洪濤便在中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所擔(dān)任研究員，在這里也確定了今后的研究方向，即利用負(fù)離子光電子成像技術(shù)研究錒系元素化合物的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，并成為該領(lǐng)域系統(tǒng)化研究的引領(lǐng)者。

錒系元素這一類具有放射性的化學(xué)元素，通過核裂變能夠產(chǎn)生巨大的核能量。如果將這些核能量聚集起來(lái)，可以轉(zhuǎn)化成水和水蒸氣的內(nèi)能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能，最終可被轉(zhuǎn)化為電能。相比傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電，核能發(fā)電產(chǎn)生的危害異常小，對(duì)環(huán)境污染可忽略不計(jì)，而且能大大緩解不可再生能源存儲(chǔ)上的壓力。世界各國(guó)幾乎都看到了核能發(fā)電的巨大優(yōu)勢(shì)，紛紛在合適地域建立核電站發(fā)電。

中國(guó)更是將積極發(fā)展核能產(chǎn)業(yè)當(dāng)作一項(xiàng)長(zhǎng)期重大戰(zhàn)略來(lái)抓，把其當(dāng)作我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展的綠色支柱。而先進(jìn)的核燃料和乏燃料后處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)核能可持續(xù)發(fā)展的兩個(gè)重要條件。而錒系化合物的化學(xué)價(jià)態(tài)、配位結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，其對(duì)預(yù)測(cè)燃料性能和選擇化學(xué)分離技術(shù)及工藝參數(shù)有重要意義。源于錒系元素分子結(jié)構(gòu)的特殊性，一般的科研機(jī)構(gòu)很難達(dá)到研究反射性元素的條件，因此在國(guó)內(nèi)與錒系元素分子結(jié)構(gòu)表征、化合物成鍵性質(zhì)等相關(guān)的研究成果極少。

劉洪濤愿意迎接這一挑戰(zhàn)。外部有國(guó)家對(duì)核能利用的重視，再加上中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所這個(gè)高端平臺(tái)，讓長(zhǎng)期從事分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)研究的劉洪濤有了發(fā)揮的空間。他所帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，目前主要面對(duì)錒系化合物電子結(jié)構(gòu)、成鍵和化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律這一重大需求，提出了研制一臺(tái)用于分子和團(tuán)簇電子結(jié)構(gòu)研究的高分辨低溫負(fù)離子慢電子成像譜儀。為表征錒系元素分子和團(tuán)簇電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)成鍵研究提供全新的方法，有力推動(dòng)我國(guó)錒系元素理論和實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展。對(duì)于發(fā)展先進(jìn)核燃料循環(huán)技術(shù)以及尋找有效的乏燃料化學(xué)分離技術(shù)都起著關(guān)鍵作用。

已知232Th吸收中子經(jīng)過兩次衰變能轉(zhuǎn)換成易裂變核素233U，基于釷-鈾核燃料循環(huán)提供的核能要比鈾-钚循環(huán)更高效、環(huán)保和安全。劉洪濤介紹，自然界中的鈾元素儲(chǔ)量有限，釷元素資源在核能中的表現(xiàn)日益受重視。但由于錒系元素。其未充滿的5f與6d電子殼參與化合物成鍵，由于重元素的強(qiáng)相對(duì)論效應(yīng)以及復(fù)雜的電子相關(guān)效應(yīng)，使得其原子和化合物電子結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，科學(xué)研究面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

劉洪濤目前主要研究項(xiàng)目就是研制一臺(tái)之前在海外研究的負(fù)離子光電子成像設(shè)備，對(duì)鈾元素、釷元素的化學(xué)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等進(jìn)行深入探索，借助高端設(shè)備必將加快科研速度。但因之前國(guó)內(nèi)科研環(huán)境、人才所限，此類課題研究相當(dāng)于空白一片，難以借鑒。雖然屬于摸著石頭過河，可能會(huì)面臨無(wú)數(shù)未知的科研難題，但憑借多年科研經(jīng)驗(yàn)和豐富知識(shí)架構(gòu)，劉洪濤仍然對(duì)未來(lái)的科研之路充滿了信心。

“如果沒有困難，那是不可能的，目前最棘手是硬件設(shè)備及人才配備。”談及此，他如是說(shuō)。在硬件設(shè)施籌建方面，國(guó)家一邊大力引進(jìn)高端外國(guó)設(shè)備，一邊投入巨額資金鼓勵(lì)研發(fā)創(chuàng)新。在科研團(tuán)隊(duì)的組建方面，劉洪濤一邊做潛心科研，一邊招募相關(guān)專業(yè)的研究生，很快便成立了自己的科研小組，順利開啟了他在國(guó)內(nèi)的錒系元素化學(xué)研究之路。

逆風(fēng)，更要勇于飛翔。在幾乎空白的研究領(lǐng)域里，借助國(guó)家政策及團(tuán)隊(duì)支撐，劉洪濤把新觀點(diǎn)融入其中。

心憂未來(lái) 推動(dòng)綠色核能進(jìn)程

劉洪濤在上大學(xué)之初的夢(mèng)想是當(dāng)老師。回國(guó)后，他除了做科研，還接手了一個(gè)由10多個(gè)人組建的熔鹽物化課題小組，做起了承擔(dān)工程、培育新人的工作。

剛剛接手課題小組時(shí)，劉洪濤坦言多少是有些不適應(yīng)。他積極適應(yīng)團(tuán)隊(duì)、領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，給每個(gè)人分配相應(yīng)工作，并給出恰當(dāng)指導(dǎo)和建議，提高每一個(gè)小組成員的存在感和成就感。因?yàn)樗钪缃竦目蒲胁辉偈菃未颡?dú)斗的時(shí)代了，需要團(tuán)隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)、通力合作。

目前，劉洪濤參與了2011年中科院?jiǎn)?dòng)的先導(dǎo)A專項(xiàng)“未來(lái)先進(jìn)核裂變能—釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”。該項(xiàng)目不論從立項(xiàng)背景還是長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，于劉洪濤來(lái)說(shuō)都很有意義。

地球上的釷元素蘊(yùn)藏量巨大，可以通過多種方式將它轉(zhuǎn)換為核能源。曾有專家預(yù)言，我國(guó)作為釷資源大國(guó)，如果能夠真正使用潛在的核資源釷-232，把釷用于核能，則我國(guó)能源供應(yīng)一千年都不成問題。但釷不能直接使用，需要先通過核反應(yīng)將其轉(zhuǎn)成鈾233再使用。在某種意義上說(shuō)，釷基熔鹽堆是第四代反應(yīng)堆核能系統(tǒng)的六種候選堆型之一，能滿足未來(lái)20—30年后核能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。它是一種液態(tài)燃料堆，使用釷鈾核燃料循環(huán)，以氟化鹽為冷卻劑，將天然核燃料和可轉(zhuǎn)化核燃料熔融于高溫氟化鹽中，攜帶核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)部和外部進(jìn)行循環(huán)。

兩院院士路甬祥對(duì)該項(xiàng)目寄予厚望：“需要30年的持續(xù)攻關(guān)，這一專項(xiàng)才能真正轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡芄I(yè)化和商業(yè)化的科技成果。”他希望，“在20～25年后，企業(yè)能夠成為釷基熔鹽核能系統(tǒng)發(fā)展的主角。”

參與這一項(xiàng)目的每一個(gè)人都知道，這是一項(xiàng)艱巨復(fù)雜的工程，必須從釷基熔鹽堆的基本科學(xué)問題研究入手，不斷深入了解釷基熔鹽堆科學(xué)規(guī)律，才能實(shí)現(xiàn)到2020年掌握釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)所有核心技術(shù)并最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。對(duì)此，劉洪濤也表示，非常高興能參與其中，為國(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展盡一份力量。在新一代核能科學(xué)家的努力下，我們也有信心憧憬：新一代核能會(huì)帶著綠色、和平的印記，伴隨人類走向未來(lái)。