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記者12月18日從蘭州大學獲悉，稀有同位素前沿科學中心的陳熙萌、李湛團隊在二維限域調控與核能循環(huán)分離體系領域取得了一系列原創(chuàng)性突破。圍繞“在二維限域環(huán)境中實現(xiàn)能量調控與結構穩(wěn)健性”這一核心科學問題，團隊構建了從氫同位素到放射性離子的統(tǒng)一二維限域調控體系。相關成果相繼發(fā)表于《物理評論X輯—能源》與《化學科學》上。

聚變能是清潔、高能量密度的未來能源，但其燃料氘、氚的高效分離與循環(huán)利用一直是技術瓶頸。同時，核裂變產生的高放射性廢液中含有鈾、镅等高附加值核素，分離難度極大。在復雜極端環(huán)境下實現(xiàn)同位素和離子的精準分離，是核科學與技術領域的關鍵科學難題。

研究團隊首次利用液態(tài)金屬鎵與氧化石墨烯復合，實現(xiàn)了二維納米通道的可逆動態(tài)調控。通過光熱響應，通道寬度可在約6.8至8.7埃米之間可逆變化，從而顯著放大輕重水分子在擴散動力學上的差異。基于該機制制備的復合膜在氚水分離中表現(xiàn)出高選擇性，無需化學添加劑一級過濾即可實現(xiàn)約20%的氚去除率，為聚變燃料的低能耗循環(huán)提供了新方案。

此外，團隊進一步提出“限域氧橋聯(lián)”策略，制備出結構強化的二維金屬有機框架膜。該膜在強酸、高輻照的極端條件下仍保持穩(wěn)定，成功實現(xiàn)了鈾、镅等錒系離子與稀土離子的高精度篩分，分離因子超過500，水通量較傳統(tǒng)膜提升16.7倍，展現(xiàn)出優(yōu)異的工程應用潛力。

“這兩項工作共同構成了‘能量驅動—結構穩(wěn)固—多場協(xié)同’的二維分離科學框架，實現(xiàn)了從氫同位素到放射性離子的跨體系統(tǒng)一，為核能循環(huán)與清潔利用提供了基礎科學支撐?！碧m州大學核科學與技術學院教授李湛表示。

目前，基于該技術孵化的“常溫水同位素膜分離系統(tǒng)”已在中央企業(yè)熠星創(chuàng)新創(chuàng)意大賽中榮獲三等獎。團隊進一步開發(fā)出小型化低氘水生產設備，可穩(wěn)定生產低氘水產品，初步實現(xiàn)了從實驗室到工程樣機的轉化，展現(xiàn)出良好的產業(yè)化前景。