科學處理核廢物 持續發展核能源
——記清華大學核能與新能源技術研究院副教授徐超

武光磊

21世紀科技高速發展，經濟日益提升，而作為支撐我國經濟高速發展的支柱之一，能源在其中占據了舉足輕重的地位。與傳統能源相比，核能具有高能效、低污染、經濟、可持續發展的優點。隨著時代發展與科技進步，國家和社會對于核能技術的應用也變得越來越廣泛。如今，中國作為世界上第一大能源生產國和消費國，發展核能事業是大勢所趨。

從科學的角度講，地球上可控的核能發展，大體上將經歷由利用核裂變能走向利用核聚變能兩大階段。目前在核聚變能未開發利用之前，我們仍需要大力發展核裂變能，以緩解目前及今后很長一段時間能源供應緊張的情況。盡管相對于化石燃料，核裂變發電具有成本低、相對清潔等優點，但它的發展也帶來了不少亟須解決的問題，如乏燃料和核廢物的處理與處置、鈾資源的匱乏等。

核能的可持續發展離不開高效和環境友好的核燃料循環體系以及安全可靠的核廢物環境行為影響評價機制。作為支撐中國核能事業發展的中堅力量之一，清華大學核能與新能源技術研究院針對國家發展在能源、環境和資源領域所面臨的挑戰，承擔著重要使命。身為其中的一份子，清華大學核能與新能源技術研究院副教授徐超，多年來就將研究重點放在先進核燃料循環技術中放射性核素高效分離與核廢物處理的需求上，在高放廢液處理、錒系元素溶液配位化學、放射性核素分離新方法等方面開展了系列基礎及應用研究工作，為中國核能事業的可持續發展貢獻著屬于自己的“核動力”。

與核結緣，堅定自己的人生志向

1982年5月，徐超出生于素有“江湖鎖鑰、水陸通津”之美譽的江西省湖口縣。與大多數出身于農村的青年學子一樣，在上大學之前，徐超對家鄉外面的世界認知很少，通過學習改變自己的命運便是他不斷前行的初衷。

因為中學時期對數理化的熱愛，高考時，徐超選擇報考了北京大學的理科專業。功夫不負有心人，2000年，徐超順利考入北京大學技術物理系的應用化學（原放射化學）專業，在這里展開了全新的學習和探索之旅。

21世紀開局之初，我國核物理以及核化學等領域的發展均處于低潮期。在此背景下，國家為發展“兩彈一星”事業所設立的北京大學技術物理系于2001年進行了調整分拆，原本在技術物理系就讀的徐超，也隨著專業劃分進入了北京大學化學與分子工程學院。在學期間，他先后獲得“北京大學三好學生標兵”“北京市三好學生”等榮譽稱號。

2003年前后，國際及國內的形勢發生了重大轉變。我國開始重視核能、核電的發展，相關專業也越來越受到國家重視。為了進一步夯實學術基礎，徐超在本科畢業后選擇在北京大學化學與分子工程學院繼續深造。在碩博連讀期間，徐超一直從事放射性廢物處理的相關工作，他還與清華大學科研團隊合作，用長達3～4年的時間，投入到國防基礎科研項目的研究中，于2009年順利獲得理學博士學位，以優異的成績榮獲“北京大學優秀博士畢業生”稱號。

博士畢業后，徐超面臨著諸多抉擇。當時，國家在核能領域的人才資源及研究隊伍緊缺。在這一背景之下，清華大學設立了“235人才計劃”，決定在這一計劃的支撐下從清華、北大的優秀應屆博士畢業生中挑選一批科研人才，充實到核能與新能源技術研究院的研究隊伍之中。因為在博士期間與清華大學核能與新能源技術研究院相關科研團隊合作過，徐超對這一平臺十分了解和向往，利用“235人才計劃”這一契機，他順利通過多輪篩選，來到了清華大學核能與新能源技術研究院，從事相關研究工作至今。

積淀創新，聚焦高放射性核廢物處理

從北大到清華，雖然研究平臺改變了，但徐超為國家核能事業做貢獻的科研初衷一直從未動搖。來到清華大學核能與新能源技術研究院之后，徐超加入了核化學化工研究室。在這一平臺的支撐下，他結合自己的背景特長，圍繞放射性廢物處理與處置這一領域，在高放廢液分離化學、錒系元素溶液化學、放射性核素分離新材料等方面開展了一系列基礎及應用研究工作。

由于核能與新能源技術研究院屬于工科性質院系，主要面向的是核能領域的工程應用。在工作過程中，徐超希望自己能夠在核廢物處理相關的基礎化學研究方面有更加深厚的科研積淀，以更好地服務于工程應用。為了拓寬自己的科研視野，學習到更加前沿的領域知識，徐超于2011年在國家留學基金委的支持下，前往美國勞倫斯伯克利國家實驗室從事訪問研究。

勞倫斯伯克利國家實驗室是美國最杰出的國家實驗室之一，實驗室前身是加州大學放射實驗室，而后為了紀念伯克利著名實驗物理學家歐內斯特·勞倫斯而更名為勞倫斯伯克利國家實驗室，具有悠久的歷史。長期以來，美國在放射化學領域以及基礎的錒系化學領域研究一直走在世界前列。在勞倫斯伯克利國家實驗室從事科研工作期間，徐超接觸到了最前沿的科研思想，也在自己感興趣的研究領域進行了系統學習。通過兩年的積淀與磨練，他在錒系溶液配位化學等研究方向打下了堅實基礎。“國外科研團隊所涉獵的知識面都很寬，科研目標也十分明確，并十分洞悉在自己所在的科研領域中應該研究什么、不該研究什么。”徐超說。這趟研究旅程不僅拓寬了徐超的科研視野，也讓他在國外從事科學研究的理念以及實驗室管理等方面，學到了許多有價值的經驗。

回國后，結合當時國內實驗室的實際情況，徐超將在國外學到的先進科研技術及管理經驗應用到自己的科研工作中，也為其所在團隊相關研究工作的開展提供了有力支撐。目前，徐超所在的核化學化工團隊主要針對先進核燃料循環技術中放射性核素高效分離與核廢物處理的需求開展基礎和應用研究。

在基礎研究方面，徐超主要針對錒系元素在溶液中的配位化學行為展開探索。鈾、镎、钚等錒系元素是核廢物分離和處理的核心對象之一。所有錒系元素都具有放射性，對環境存在一定影響，尤其是鈾以后的所謂“超鈾元素”，其放射性強，毒性大，必須予以科學處理與處置。也正是由于這些元素的放射性和毒性，導致我們對它們基本性質的了解遠不如非放射性元素。對錒系元素溶液化學的研究不僅能加深科研工作者對于錒系元素基礎化學性質的認知水平，還能更好地指導核廢物的處理和處置。

鈾、镎、钚在元素周期表5f元素中處于相鄰位置，是乏燃料后處理中最關鍵的三種錒系元素。為發展新型錒系元素分離方法、預測錒系元素環境化學行為，徐超考察了不同價態鈾镎钚與一系列功能配體在水溶液中的絡合化學，力圖從基礎熱力學角度了解錒系元素的絡合規律。通過相關科研工作，徐超發現一些錒系離子隨原子序數增加產生的細微結構變化可能會導致其溶液配位性能的重大轉變，進一步豐富了錒系元素配位周期律。相關研究成果為篩選和設計錒系元素分離的功能配體提供了重要參考。

“分離-嬗變”策略是一種處理放射性廢物的有效途徑，其將長壽命、強放射性的次錒系核素分離出來，通過反應堆或加速器嬗變為穩定或短壽命核素，從而大大縮減放射性廢物長期危害。在這一策略中，性質相近的三價鑭錒離子的分離是最為關鍵的步驟之一，也是當今分離領域最具挑戰性的難題之一。為解決這一難題，在所在團隊前期工作基礎上，徐超與團隊成員一起進一步發展了基于二硫代次膦酸作為萃取劑的分離方法，并開發了基于這一技術的分離流程，實現了目前世界上最高的三價鑭錒分離因子。

針對我國核能發展的重大需求，徐超還針對乏燃料處理過程中產生的高放射性廢液展開了應用研究，這項工作也是徐超所在團隊目前的重點研究方向。高放廢液是乏燃料后處理提取鈾钚后產生的強放射性廢液，集中了乏燃料中95%以上的放射性，包含殘存的鈾钚、次錒系元素镎镅鋦以及長壽命的裂片元素，若不經分離處理直接進行固化和地質處置，需要數以萬年的有效監管，環境風險大。為了解決這一問題，徐超所在的清華大學核化學化工研究團隊提出將高放廢液中的不同核素分門別類，通過液液萃取手段進行高效分離后，將一些半衰期相對較短的核素在近地表儲存，而半衰期非常長的核素進行深地層處置，從而減少監管所需要的人力、財力和物力。另外，從高放廢液中分離出來的很多核素還具有各種用途，可將它們回收后再利用，實現“變廢為寶”。

經過多年來幾代科研人員的努力，徐超所在的研究團隊發展了具有我國自主知識產權的高放廢液分離流程并對其進行了驗證實驗。作為骨干力量，徐超參與完成了生產堆高放廢液全分離流程熱驗證實驗，在72級離心萃取器臺架上，處理了數百居里真實高放廢液，連續穩定運行近200小時。這一驗證實驗的完成是目前我國在高放廢液分離領域的一大突破，為后續應用工程的實施奠定了基礎。該成果還獲得了2017年度國防科學技術進步獎二等獎。

2018年，徐超還獲得了國家自然科學基金優秀青年科學基金的資助。在這一項目研究中，他將面向我國核能快速發展及放射性環境危害防控的重大需求，依托于清華大學甲級放化實驗室平臺，開展錒系元素（尤其是超鈾元素）環境放射化學研究，從錒系元素自身的物理化學性質出發，考慮環境體系的特點，從原子、分子水平上揭示錒系元素與環境中相關介質、物種的相互作用機制，以提升我國在錒系元素環境放射化學領域的研究水平和國際影響力。

對于核化學化工研究，徐超還特別強調國家層面支持的重要性和團隊作戰的優勢。“清華大學核化學化工團隊能夠長期致力于核廢物處理研究，離不開一直以來國家主管部門、清華大學及該團隊所在的核能與新能源技術研究院的大力支持”。“我自己所取得的一點成績也離不開團隊長期以來的支持。我們團隊成員彼此分工有所不同，各有特長，相互密切合作，共同推進國家重大項目的實施和核化學化工技術的突破。”徐超強調。

勞倫斯伯克利國家實驗室留影

面向現狀，消除公眾疑慮促進成果轉化

科研創新是科學家終生的事業。在從事科學研究的過程中，徐超從未忘卻自己的創新使命，并在致力于開拓原創性科研成果的道路上堅持探索。現如今，國家對于先進核燃料循環技術中放射性核素高效分離與核廢物處理領域的研究投入逐漸加強，人才隊伍也越來越強大，作為博士生導師，徐超也希望自己的學生能在研究興趣的驅使下，開展自主創新研究工作，為相關領域的發展做出貢獻。

前路是光明的但也充滿了曲折，在核能發展的道路中仍有許多困難亟待解決。發現和認識核能，是20世紀人類最偉大的科學成就之一。但在徐超看來，目前最大的挑戰就是公眾對于核領域研究以及核廢物處理的認識還遠遠不夠。

中國工程院院士杜祥琬曾在“中國科學與人文論壇”第128場報告會上指出：“人類既然認識到核能的巨大潛力和價值，就不可能把它鎖在抽屜里、關在籠子里，必然會努力去開發它、掌握它，使之成為人類的馴服工具。不駕馭核能才是真正的危險。”

回首過去，在世界核電發展史上，曾爆發多次核泄漏事件。美國的三里島核電站事故，蘇聯切爾諾貝利核泄漏事故，日本的福島核電站事故……曾令人們“談核色變”，以至于現在大部分人還是對核能呈現一種戒備心與警惕心。

要使專業人員和公眾都接受核電與其他發電方式相比是一種安全的能源這一觀念，尤其是要使他們對其中的效益和風險有完全和準確的了解。身為這一領域的科研人員，徐超深知自己肩上擔負的職責。“科研工作者仍需修煉內功，提高自己的技術水平，進一步消除公眾對于‘核’的恐懼。”徐超說。

科學研究要面向國家重大戰略需求。從基礎化學工藝到設備開發研究，徐超還將與團隊成員一起基于已有的研究基礎，將研發的技術盡快推向應用。“目前，國家正在考慮建設乏燃料大型后處理廠，基于國家的需求，我們希望能將團隊所研發的科研技術和國家乏燃料后處理廠銜接起來，展開應用。在高放廢液的分離工藝研究中，我們將致力于把核廢料更多有用的核素回收利用起來，以減少環境污染。”徐超說。

放射性核素高效分離與核廢物處理事業任重而道遠，作為祖國核領域的千千萬萬個科學研究者之一，徐超還將不負使命，竭力前行。