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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(zhǎng)期以來(lái)，永久儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了 “MaLaR - 用于從核廢料中回收鑭系元素的新型2D - 3D材料” 項(xiàng)目。在未來(lái)三年，該項(xiàng)目獲得了230萬(wàn)歐元的資金支持，旨在研究運(yùn)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?yàn)閺U舊核燃料中蘊(yùn)含著重要的原材料，這些原材料的應(yīng)用范圍廣泛，遠(yuǎn)超核能領(lǐng)域。參與該項(xiàng)目的不僅有德國(guó)，還有法國(guó)、瑞典和羅馬尼亞，四國(guó)攜手共同攻克這一技術(shù)難題。

MaLaR項(xiàng)目的核心目標(biāo)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(qiáng)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?lè)矫?，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(guó)進(jìn)口。這不僅在供應(yīng)鏈上存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，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(jì)價(jià)值?？送呤材崮冉淌谧鳛镸aLaR項(xiàng)目協(xié)調(diào)人，同時(shí)隸屬于HZDR的資源生態(tài)研究所，并在法國(guó)格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)擔(dān)任教授，她深知這一項(xiàng)目的重要性和挑戰(zhàn)性。

要實(shí)現(xiàn)核廢料中元素的回收，首先必須進(jìn)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(lái)的基本安全風(fēng)險(xiǎn)外，其所含物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)極為相似，這使得分離過(guò)程異常艱難。尋找一種只與某一種目標(biāo)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(zhǔn)提取出目標(biāo)元素，成為了困擾科研人員的一大瓶頸。現(xiàn)有的分離過(guò)程往往依賴危險(xiǎn)化學(xué)品，這些化學(xué)品不僅對(duì)操作人員的安全構(gòu)成威脅，還可能對(duì)環(huán)境造成潛在污染。而且，分離過(guò)程通常能耗巨大，需要消耗大量的能源資源，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生額外的廢物流，進(jìn)一步增加了處理成本和環(huán)境負(fù)擔(dān)。

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(kāi)發(fā)新型三維材料，試圖將其打造為實(shí)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(dāng)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(huì)附著在吸附劑相鄰的固相上，從而實(shí)現(xiàn)與其余廢料的分離。

近年來(lái)，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(jìn)一步提高其吸附性能。在MaLaR項(xiàng)目中，克瓦什尼娜及其合作伙伴計(jì)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(jī)制，從而開(kāi)發(fā)基于氧化石墨烯的新材料，使其能夠精準(zhǔn)地作為特定元素清除劑，高效地從核廢料中分離出目標(biāo)元素。

從項(xiàng)目的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)來(lái)看，克瓦什尼娜強(qiáng)調(diào)：“我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)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(gè)元素。未來(lái)，這一技術(shù)可應(yīng)用于各種領(lǐng)域。誠(chéng)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(shí)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(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，降低對(duì)原生資源的依賴，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

在廢料儲(chǔ)存方面，對(duì)于高放射性廢料的安全最終儲(chǔ)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(lái)，然后分別儲(chǔ)存，將大大降低儲(chǔ)存風(fēng)險(xiǎn)，提高儲(chǔ)存的安全性和穩(wěn)定性。該項(xiàng)目明確以開(kāi)發(fā)合適的、接近市場(chǎng)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(shí)際生產(chǎn)力，推動(dòng)核廢料處理技術(shù)的革新。

MaLaR團(tuán)隊(duì)具備強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和專業(yè)背景，能夠充分借助合作伙伴在多個(gè)不同領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)。在2D/3D材料開(kāi)發(fā)方面，他們可以利用先進(jìn)的材料制備技術(shù)，設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)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(duì)放射性元素性質(zhì)和反應(yīng)規(guī)律的掌握，更好地實(shí)現(xiàn)元素的分離和回收；同時(shí)，使用一種新的原位方法對(duì)放射性材料中極微量鑭系元素進(jìn)行時(shí)間分辨研究，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)元素的反應(yīng)過(guò)程和變化情況，為材料的研發(fā)和優(yōu)化提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

克瓦什尼娜熱情地表示：“未來(lái)幾年能在這個(gè)團(tuán)隊(duì)工作真是太棒了。我們可以將實(shí)驗(yàn)中的基本見(jiàn)解與理論計(jì)算、模型以及材料表征和開(kāi)發(fā)相結(jié)合?！?作為項(xiàng)目的一部分，她還將負(fù)責(zé)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在那里，將使用高強(qiáng)度X射線測(cè)試新材料的化學(xué)性質(zhì)。通過(guò)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(jìn)一步優(yōu)化材料的性能，推動(dòng)MaLaR項(xiàng)目朝著預(yù)期目標(biāo)穩(wěn)步前進(jìn)。