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在全球能源結(jié)構(gòu)中，核能作為一種重要的低碳能源，在滿足電力需求方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，核廢料的處理一直是核能可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。長期以來，永久儲存被視為處理核廢料的主要方式，然而，亥姆霍茲 - 德累斯頓 - 羅森多夫中心（HZDR）的克里斯蒂娜·克瓦什尼娜教授指出，這并非唯一策略。

隨著歐盟新資金的注入，克瓦什尼娜教授帶領(lǐng)團隊開啟了 “MaLaR - 用于從核廢料中回收鑭系元素的新型2D - 3D材料” 項目。在未來三年，該項目獲得了230萬歐元的資金支持，旨在研究運用新型分離技術(shù)回收核廢料中某些元素的可行性。之所以聚焦于此，是因為廢舊核燃料中蘊含著重要的原材料，這些原材料的應(yīng)用范圍廣泛，遠超核能領(lǐng)域。參與該項目的不僅有德國，還有法國、瑞典和羅馬尼亞，四國攜手共同攻克這一技術(shù)難題。

MaLaR項目的核心目標是回收鑭系元素。鑭系元素作為一組化學(xué)元素，其中包含部分稀土元素，在現(xiàn)代工業(yè)和科研領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。

在屏幕制造中，它們能夠提升屏幕的顯示效果和色彩飽和度；在電池領(lǐng)域，有助于提高電池的能量密度和充放電性能；在磁鐵生產(chǎn)中，可增強磁鐵的磁性；在造影劑里，能輔助醫(yī)生更清晰地觀察人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)；在生物探針方面，為生命科學(xué)研究提供了有力工具。但鑭系元素是非常稀有的原材料，目前大部分依賴從中國進口。這不僅在供應(yīng)鏈上存在潛在風險，也限制了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展。因此，從廢料，尤其是核廢料中回收鑭系元素，具有重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟價值。克瓦什尼娜教授作為MaLaR項目協(xié)調(diào)人，同時隸屬于HZDR的資源生態(tài)研究所，并在法國格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)擔任教授，她深知這一項目的重要性和挑戰(zhàn)性。

要實現(xiàn)核廢料中元素的回收，首先必須進行分離處理。核廢料處理面臨著諸多難題，除了放射性元素本身帶來的基本安全風險外，其所含物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)極為相似，這使得分離過程異常艱難。尋找一種只與某一種目標元素發(fā)生反應(yīng)，而不與其他元素反應(yīng)的物質(zhì)，以便精準提取出目標元素，成為了困擾科研人員的一大瓶頸。現(xiàn)有的分離過程往往依賴危險化學(xué)品，這些化學(xué)品不僅對操作人員的安全構(gòu)成威脅，還可能對環(huán)境造成潛在污染。而且，分離過程通常能耗巨大，需要消耗大量的能源資源，同時還會產(chǎn)生額外的廢物流，進一步增加了處理成本和環(huán)境負擔。

為了突破這些困境，MaLaR聯(lián)盟正在探索一種創(chuàng)新方法。他們將目光聚焦于開發(fā)新型三維材料，試圖將其打造為實現(xiàn)有效、環(huán)保、可持續(xù)分離方法的關(guān)鍵工具。這種方法不僅適用于核廢料，還能應(yīng)用于工業(yè)廢料，如放射性醫(yī)療應(yīng)用產(chǎn)生的廢料。其工作原理基于吸附原理，與當前的分離方法有相似之處，但又有著顯著的創(chuàng)新。在液態(tài)核廢料中，特定放射性元素會附著在吸附劑相鄰的固相上，從而實現(xiàn)與其余廢料的分離。

近年來，研究發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯這種碳基多孔材料在性能上表現(xiàn)卓越，能夠顯著超越目前使用的最重要的工業(yè)吸附劑或放射性核素。而且，最新研究表明，電子結(jié)構(gòu)的某些特定變化能夠進一步提高其吸附性能。在MaLaR項目中，克瓦什尼娜及其合作伙伴計劃系統(tǒng)地探索這些潛在的化學(xué)反應(yīng)，深入研究氧化石墨烯與不同元素之間的相互作用機制，從而開發(fā)基于氧化石墨烯的新材料，使其能夠精準地作為特定元素清除劑，高效地從核廢料中分離出目標元素。

從項目的長遠目標來看，克瓦什尼娜強調(diào)：“我們的目標是設(shè)計一種材料，利用它我們最初可以從合成元素混合物中提取單個元素。未來，這一技術(shù)可應(yīng)用于各種領(lǐng)域。誠然，在三年內(nèi)我們只能朝著回收利用邁出第一步，但如果成功，實際應(yīng)用將指日可待。” 這一新型分離技術(shù)一旦成功，其影響將是多方面且巨大的。在資源回收方面，它有助于從核廢料和其他工業(yè)廢料中回收珍貴的原材料，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，降低對原生資源的依賴，推動可持續(xù)發(fā)展。

在廢料儲存方面，對于高放射性廢料的安全最終儲存具有重要意義。例如，如果能將半衰期不同的同位素分離出來，然后分別儲存，將大大降低儲存風險，提高儲存的安全性和穩(wěn)定性。該項目明確以開發(fā)合適的、接近市場應(yīng)用的技術(shù)解決方案為導(dǎo)向，致力于將科研成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力，推動核廢料處理技術(shù)的革新。

MaLaR團隊具備強大的技術(shù)實力和專業(yè)背景，能夠充分借助合作伙伴在多個不同領(lǐng)域的專業(yè)知識。在2D/3D材料開發(fā)方面，他們可以利用先進的材料制備技術(shù)，設(shè)計和合成具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料；在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域，通過對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和相互作用的深入理解，為材料性能的優(yōu)化提供理論支持；在放射性元素化學(xué)方面，憑借對放射性元素性質(zhì)和反應(yīng)規(guī)律的掌握，更好地實現(xiàn)元素的分離和回收；同時，使用一種新的原位方法對放射性材料中極微量鑭系元素進行時間分辨研究，能夠?qū)崟r監(jiān)測元素的反應(yīng)過程和變化情況，為材料的研發(fā)和優(yōu)化提供精準的數(shù)據(jù)支持。

克瓦什尼娜熱情地表示：“未來幾年能在這個團隊工作真是太棒了。我們可以將實驗中的基本見解與理論計算、模型以及材料表征和開發(fā)相結(jié)合。” 作為項目的一部分，她還將負責在位于格勒諾布爾的歐洲同步輻射裝置（ESRF）的HZDR羅森多夫光束線（ROBL）進行實驗。在那里，將使用高強度X射線測試新材料的化學(xué)性質(zhì)。通過X射線的穿透和散射，科研人員可以深入了解材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子云分布等信息，從而進一步優(yōu)化材料的性能，推動MaLaR項目朝著預(yù)期目標穩(wěn)步前進。