我研究团队取得氢同位素及锕系废料分离突破性进展

科技日报记者 颉满斌 通讯员 余若怡

记者12月18日从兰州大学获悉，稀有同位素前沿科学中心的陈熙萌、李湛团队在二维限域调控与核能循环分离体系领域取得了一系列原创性突破。围绕“在二维限域环境中实现能量调控与结构稳健性”这一核心科学问题，团队构建了从氢同位素到放射性离子的统一二维限域调控体系。相关成果相继发表于《物理评论X辑—能源》与《化学科学》上。

聚变能是清洁、高能量密度的未来能源，但其燃料氘、氚的高效分离与循环利用一直是技术瓶颈。同时，核裂变产生的高放射性废液中含有铀、镅等高附加值核素，分离难度极大。在复杂极端环境下实现同位素和离子的精准分离，是核科学与技术领域的关键科学难题。

研究团队首次利用液态金属镓与氧化石墨烯复合，实现了二维纳米通道的可逆动态调控。通过光热响应，通道宽度可在约6.8至8.7埃米之间可逆变化，从而显著放大轻重水分子在扩散动力学上的差异。基于该机制制备的复合膜在氚水分离中表现出高选择性，无需化学添加剂一级过滤即可实现约20%的氚去除率，为聚变燃料的低能耗循环提供了新方案。

此外，团队进一步提出“限域氧桥联”策略，制备出结构强化的二维金属有机框架膜。该膜在强酸、高辐照的极端条件下仍保持稳定，成功实现了铀、镅等锕系离子与稀土离子的高精度筛分，分离因子超过500，水通量较传统膜提升16.7倍，展现出优异的工程应用潜力。

“这两项工作共同构成了‘能量驱动—结构稳固—多场协同’的二维分离科学框架，实现了从氢同位素到放射性离子的跨体系统一，为核能循环与清洁利用提供了基础科学支撑。”兰州大学核科学与技术学院教授李湛表示。

目前，基于该技术孵化的“常温水同位素膜分离系统”已在中央企业熠星创新创意大赛中荣获三等奖。团队进一步开发出小型化低氘水生产设备，可稳定生产低氘水产品，初步实现了从实验室到工程样机的转化，展现出良好的产业化前景。