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同位素分离

news 2025/9/14 10:34:15

一、同位素分离物理和化学理论基础及科学理论突破

二、同位素分离技术的难点和主攻方向及技术进展

三、同位素分离的一般工艺过程及控制条件和控制参数

四、同位素分离生产检测设备和仪表及国产化进展

五、核裂变发电过程中的同位素分离技术

六、核聚变发电过程中的同位素分离技术

七、钍反应堆发电过程中的同位素分离技术

八、同位素分离技术在核废料处理过程中的应用

二维仿生膜结构及在同位素分离中的应用

一、同位素分离物理和化学理论基础及科学理论突破

（一）同位素分离的物理与化学理论基础

1. 同位素效应与分馏机制

质量差异效应：同位素因中子数不同导致质量差异，进而影响其零点能、振动频率及化学键强度。轻同位素（如¹H、⁶Li）的零点能更高，键能更弱，在物理（扩散、蒸发）或化学（反应速率）过程中优先富集。
Bigeleisen-Mayer公式：基于简谐振动近似，量化同位素平衡分馏系数（α），公式为：

其中Δm为质量差，T为温度。该模型是稳定同位素地球化学的基石，但对大分子体系需引入高级校正。
动力学分馏：非平衡过程（如扩散、单向反应）中，轻同位素因迁移速率更快而富集，例如氢同位素在膜分离中的选择性渗透。

2. 分离技术的物理化学基础

激光分离（AVLIS/MLIS）：基于同位素超精细结构差异，如²³⁵U（502.74 nm）与²³⁸U（502.73 nm）吸收峰位移，通过调谐激光选择性电离。
化学交换法：利用同位素反应动力学差异（如Girdler硫化法分离氘），轻同位素反应速率更高。
量子限域效应：石墨烯层间限域空间可放大核量子效应，使H₂O/D₂O扩散速率差异显著增强（如GO/PG/GO膜分离因子达210）。

水同位素识别的扩散调节机制

（二）关键科学理论突破

1. 同位素分馏理论的修正与扩展

高级校正模型：中科院团队修正Urey模型，引入量子化学计算光谱能量项，使大分子体系（如蛋白质-水体系）的分馏计算精度提升，填补了传统实验光谱法的不足。
质量不相关分馏：发现氧同位素（δ¹⁷O≠0.52δ¹⁸O）在光化学反应中的异常分馏，为行星大气演化研究提供新工具。

2. 新材料与分离机制创新

动态多孔材料（MOFs/PCPs）：华南理工大学团队设计温度响应型MOFs，通过“动态门”调控水同位素（H₂O/D₂O）扩散速率，室温下分离系数达210，突破传统蒸馏限制。
宏观异质结膜（GO/PG/GO）：兰州大学团队利用石墨烯层间限域效应，实现D₂O/H₂O高效筛分，能耗仅3.66 GJ，为氢同位素分离提供绿色方案。
多孔单晶材料：上海交大开发兼具单晶周期性与多孔传质特性的新材料，通过纳米孔流体调控实现轻同位素高通量分离。

3. 激光分离技术的理论优化

镱同位素（¹⁷⁵Yb）分离：印度Bhabha研究中心通过密度矩阵计算优化激光参数（功率、带宽），实现42%富集度，日产1.5 mg（1350患者剂量），纯度99.9999%。
多光子电离模型：AVLIS技术中，逐级电离（三光子）理论降低能耗，较气体离心法效率提升倍4。

（三）总结：未来理论与技术方向

1. 同位素分离理论和技术方向

同位素分离理论和技术方向

2. 总结

同位素分离理论从Urey的经典热力学模型，发展到如今的量子限域、动态MOFs等前沿领域，核心突破在于：

理论层面：修正分馏模型、揭示质量不相关效应；
材料层面：石墨烯异质结、多孔单晶等新材料实现能耗革命；
技术层面：激光参数优化、AI辅助设计推动产业化。

未来，随着量子计算与多尺度模拟的深入，同位素分离将迈向“原子级精准操控”，为核能、医学及太空资源开发提供基石支撑。

水蒸馏系统中气-液-固同位素交换示意图

二、同位素分离技术的难点和主攻方向及技术进展

原子分离及同位素分离技术是核能、医疗、国防和高端制造等领域的关键支撑技术，其发展直接影响国家能源安全、战略资源自主可控以及高端产业的国际竞争力。

（一）技术难点

1. 物理化学性质高度相似

同位素（如²³⁵U/²³⁸U、H/D/T、⁶Li/⁷Li）的化学性质几乎相同，仅因中子数不同导致微小质量差异，传统分离方法效率极低。
例如，氕（H）、氘（D）、氚（T）的沸点仅相差1-3℃，传统蒸馏法分离能耗极高。

2. 极端环境要求

部分技术（如低温精馏、电磁分离）需超低温（-100℃）、超高速离心（>5万转/分）或强磁场，设备复杂且维护成本高。

3. 放射性危害与材料耐受性

核废料中的锕系元素（如Am、Cm）具有强放射性，传统萃取剂易辐照分解，分离过程需耐腐蚀材料（如SiC复合材料）。

4. 短寿命核素分离

医用同位素（如²¹²Pb，半衰期10.6小时）需快速分离纯化，否则因衰变损失。

（二）研究热点

1. 低能耗分离技术

激光分离（SILEX）：利用同位素原子/分子对特定波长激光的吸收差异选择性激发，如中核集团研发的硼同位素SILEX样机。
催化质子交换（CPE）：苏州大学采用MIL-101(Cr)金属有机框架材料，使氚水分离效率提升4个数量级。

2. 仿生膜与智能材料

兰州大学开发二维仿生膜，通过细菌表面超铀结合蛋白（SUP）选择性捕获铀酰离子（UO₂²⁺），拦截率近100%。

3. 多技术耦合

电磁分离+化学交换：提升铷-87同位素纯度，支撑北斗卫星原子钟。
熔盐-超临界CO₂协同萃取：用于钍基熔盐堆燃料循环，分离效率提升30%。

4. 核废料资源化

从核废料中提取医用同位素（如²²⁵Ac、²¹²Pb），南华大学开发硅基吸附树脂，回收率>99%。

水同位素分离实验装置及其效果示意图

(三) 主攻方向

1. 核燃料循环（铀、钍同位素）

气体离心法仍是铀浓缩主流，但激光法（SILEX）是未来方向。
钍基熔盐堆需在线分离²³³Pa（半衰期27天），防止中子损失。

2. 氚管理与聚变燃料

聚变堆需高效分离氘（D）/氚（T），NASA探索金属晶格约束聚变（LCF）实现室温氚富集。

3. 医用同位素规模化生产

中科院近代物理所利用重离子加速器同步分离²²⁵Ac和²²³Ra，纯度>92%。

4. 锕系-镧系分离

采用TODGA萃取剂（选择性比100:1）减少核废料长期放射性。

（四）研究进展

1. 硼同位素分离技术：打破国际垄断，百吨级基地落地

1）低温精馏法实现工程化突破

中核集团原子能院胡石林院士团队攻克低温精馏法规模化生产技术，稳定产出丰度70%的富集硼-10产品。该技术通过超低温（-100℃）精密筛分，能耗降低40%、效率提升3倍，并首次实现在同一装置中同步分离硼-10和硼-11。

2）全球最大生产基地在宜昌投产

规模：总投资10亿元，建设130米高分离塔，设计年产能165吨硼-10和6吨硼-11，2026年12月投产后将成为全球产能最大、技术最先进的硼同位素生产基地。
战略意义：解决核电“安全密码”（硼酸用于反应堆功率调节）、硼中子癌症治疗核心原料长期依赖进口问题，支撑千亿级特种材料产业集群。

百吨级硼同位素生产基地效果图

2. 水同位素分离创新：氚水净化效率革命性提升

催化质子交换（CPE）技术突破：利用金属有机框架材料MIL-101(Cr)构建固-液-气三相反应体系，其开放金属位点激活水分子，刚性骨架稳定质子转移路径，将同位素交换能垒降至飞秒级，打破传统蒸馏的液-气两相限制。
工业化应用前景：10米蒸馏塔实验显示：分离效率提升超4个数量级，理论塔板高度减半。该技术为核废水深度除氚提供高效、低能耗方案，且材料成本低、稳定性强，具备大规模推广潜力。

3. 铷同位素电磁分离：保障北斗“心脏”自主可控

原子能院电磁分离器首次市场化：2023年签署合同为河北铷铯科技研发两台新型分离器，2025年投产后将提升铷-87同位素产能，支撑北斗卫星铷原子钟核心材料国产化。
技术地位：国内唯一掌握完全自主知识产权电磁分离技术的单位，指标达国际先进水平。

4. 其他同位素分离技术进展

激光激发分离（SILEX）：原子能院研制出国内首个硼同位素SILEX分离系统样机，为低能耗、高效率浓缩技术开辟新路径。
多元素稳定同位素分离：核理化院实现公斤级丰度99%钼-100、高丰度镱等同位素分离，覆盖碳、氙、硅等数十种元素，支撑高端半导体和核医学材料需求。
大型科学装置前瞻布局：北京在线同位素分离丰中子束流装置（BISOL）：结合反应堆与强流离子加速器双源驱动，预计2025年建成，可产生强度提升100倍的极端丰中子束，推动超重核合成等前沿研究。

同位素分离技术应用领域和产业化进展

同位素分离技术主要成果进展

5. 成果进展意义

产业驱动：从实验室到百吨级产能（如宜昌基地），产学研深度融合加速技术转化，形成“科研赋能产业、产业反哺科研”的正循环。
安全与创新并重：硼同位素国产化保障核电安全；氚分离技术破解核废水处理瓶颈；铷同位素支撑北斗系统自主可控，全面强化产业链韧性。
新质生产力标杆：同位素分离技术作为高端制造与战略性新兴产业交叉点，推动新材料、核医疗、量子科技等领域升级，契合国家新质生产力发展要求。

同位素电磁分离器

（五）总结：未来挑战与方向

1. 挑战与发展方向

能耗优化：低温精馏与大型电磁分离器能耗仍较高，需探索激光分离等低耗技术规模化路径。
绿色低碳化：电化学嵌入法（如⁶Li分离）取代高耗能化学交换；超临界流体萃取减少有机溶剂污染。
多学科协同融合：BISOL装置（反应堆+加速器）产生极端丰中子束，推动超重核研究，融合核物理、加速器技术、材料科学，凸显大科学工程对前沿突破的基石作用。
智能化与AI辅助：机器学习优化萃取剂分子设计（如TODGA智能化筛选）。
规模化与产业化：宜昌硼同位素基地（2026年投产）、河北铷分离项目（2025年）标志国产化突破。
国际合作竞争：美日垄断部分同位素市场，需加快国产技术标准国际化，抢占战略资源定价权。

2. 总结：

从三峡之畔的百米精馏塔到飞秒级质子交换，中国同位素分离技术正以“零下100℃的冷峻锋芒，熔铸高精材料的时代脊梁”，标志着我国从技术追随者向全球领跑者的历史性跨越。
从“卡脖子”到自主可控，中国在低温精馏、仿生膜、激光分离等领域已跻身国际前列。未来，低能耗、智能化、多技术耦合将成为主流，推动核能、医疗、量子科技等战略产业发展。

SILEX浓缩硼同位素分离实验系统

三、同位素分离的一般工艺过程及控制条件和控制参数

同位素分离是一个复杂的过程，涉及多种技术手段，其工艺过程和控制条件因目标同位素、分离方法（如气体离心法、激光法、化学交换法等）以及应用场景的不同而有所差异。

（一）同位素分离的一般工艺过程

同位素分离通常包括以下几个主要步骤：

1. 原料预处理

将原料（如天然铀、锂盐、硼化合物等）转化为适合分离的物理或化学形态（如UF₆气体、LiCl溶液、BF₃气体等）。去除杂质，避免干扰后续分离过程。

2. 分离过程

物理分离法（如气体离心法、激光法、电磁分离）：利用同位素的质量、光谱或电磁性质差异进行分离。
化学分离法（如化学交换精馏、溶剂萃取）：利用同位素在化学反应中的动力学或热力学差异进行分离。
电化学分离法（如锂同位素电渗析）：利用同位素在电场作用下的迁移速率差异进行分离。

锂同位素多级电化学分离方法

3. 富集与纯化

通过多级分离（如级联塔、多级离心机）逐步提高目标同位素的丰度；去除副产物和杂质，确保最终产品达到所需纯度。

4. 产物收集与后处理

收集目标同位素（如高丰度铀-235、硼-10、锂-6等）；进行化学还原或物理固化（如将UF₆转化为UO₂）。

（二）关键控制条件及参数

同位素分离的核心在于精确控制物理或化学条件，以最大化分离效率。不同技术的控制参数如下：

1. 气体离心法（铀浓缩）

转速：>50,000 rpm，影响离心力大小和分离效率。
温度：通常控制在室温至100°C，避免UF₆分解。
压力：优化气体流动，避免湍流影响分离效果。
级联方式：多级串联，每级分离系数约1.1–1.3。

2. 激光同位素分离（AVLIS/MLIS）

激光波长：精确匹配目标同位素吸收峰（如铀-235：502.73 nm）。
激光功率：确保足够的激发效率，但避免过度电离导致能量损失。
铀蒸气温度：~2500°C（电子束加热），确保足够的原子态铀。
静电场强度：引导电离后的目标同位素进入收集器。

3. 化学交换精馏（硼/碳同位素）

回流比：影响分离效率，如11BF₃分离中最佳回流比300。
塔板数：理论塔板数越高，分离效果越好（如720块塔板可达99.95%丰度）。
压力：降低塔顶压力可提高分离效率。
填料类型：聚四氟乙烯丝网填料可优化气液接触效率。

4. 电化学分离（锂同位素）

电压：0.1–10 V，影响锂离子迁移速率。
电解质组成：影响分离系数（如LiCl vs. LiPF₆）。
固态电解质膜：Li₁₊ₓAlₓTi₂₋ₓ(PO₄)₃等材料可优化选择性。
温度：影响离子电导率，通常控制在25–80°C。

5. 低温精馏（碳-13分离）

温度：-196°C（液氮冷却）。
塔结构：水平级联塔可降低能耗，避免超高塔工程难题。
同位素扰频器：促进13C16O/12C18O转化，提高分离效率。

锂同位素电渗析分离方法

（三）总结：发展趋势与挑战

1. 发展趋势与挑战

低能耗技术：激光法（AVLIS）、电化学法（锂分离）有望替代高耗能传统方法。
绿色工艺：避免有毒物质（如汞在COLEX工艺中的使用）。
智能化控制：模糊PID优化铀分离供料温度控制，减少时滞。
多技术耦合：如化学交换+膜分离，提高分离效率。

2. 总结

同位素分离的核心在于精确控制物理/化学参数（如温度、压力、电场、激光波长等），并结合多级分离技术实现高丰度目标产物。未来趋势是发展低能耗、绿色化、智能化的分离工艺，以满足核能、医疗和国防等领域的需求。

超强电离质谱仪

四、同位素分离生产检测设备和仪表及国产化进展

同位素分离生产设备及相关的监测、检测、表征设备和仪器仪表是核能、医疗、国防等领域的关键支撑技术。近年来，我国在该领域取得显著突破，逐步打破国外垄断，实现自主可控。

（一）同位素分离生产设备

1. 主流分离技术及设备

1）气体离心法（铀浓缩）

技术特点：超高速离心机（>50,000 rpm）分离铀-235/铀-238，能耗低、效率高。
国产化进展：中核集团已实现国产化，支撑商用核电站燃料供应。

2）低温精馏法（硼同位素）

技术特点：超低温（-100℃）精密筛分，可同时分离硼-10和硼-11。
国产化突破：中核集团原子能院胡石林院士团队研发自主技术，宜昌在建全球最大硼同位素分离塔（130米高），2026年投产后年产能165吨硼-10。

3）电磁分离（铷同位素）

技术特点：利用磁场分离同位素，适用于铷-87等高价值同位素。
国产化进展：原子能院是国内唯一掌握该技术的单位，2025年河北承德将投产新型分离器，支撑北斗卫星铷原子钟国产化。

4）激光分离（SILEX）

技术特点：低能耗、高选择性，适用于铀、硼等同位素。
国产化突破：中核集团已研制硼同位素SILEX样机，未来或替代传统离心法。

2. 医用同位素生产设备

1）加速器辐照靶系统

技术特点：用于生产短寿命医用同位素（如F-18、锕-225）。
国产化进展：上海承汇道科技研发“F-18生产流道组合靶体”，提高质子束流利用率。

2）自动化分离纯化系统

技术特点：用于镭-223、锕-225等高纯度医用同位素分离。
国产化突破：中科院近代物理所研发自动化分离系统，回收率62%（镭-223）、纯度92%-96%（锕-225）。

同位素比质谱仪

（二）检测及表征设备

1. 同位素质谱仪

1）国产Isotope5 CN质谱仪

技术特点：小型化、低运行成本，适用于碳氮同位素分析。
国产化进展：普瑞亿科引进英国技术国产化，可连接气相/液相色谱，用于食品、环境等领域。

2）超强电离质谱仪

技术特点：超高分辨率，可区分质荷比相同元素（如钾-40/钙-40）。
国产化突破：启先核科技研发的国产设备性能超国际水平100-1000倍，打破进口依赖。

2. 全自动同位素分离纯化系统

技术特点：自动化处理1-60个样品，适用于考古、地质等领域。
国产化进展：上海凯来仪器提供prepFAST-MC系统，支持多元素同位素分析。

（三）主要供应商及国产化情况

同位素分离设备主要供应商及国产化情况

（四）发展趋势

国产化加速：硼、铷等同位素分离设备已实现自主可控，医用同位素生产设备逐步替代进口。
智能化升级：AI优化分离参数，自动化系统（如prepFAST-MC）提升实验室效率。
多技术融合：激光+离心法、电化学+膜分离等组合技术成为研究热点。
绿色低碳：低能耗技术（如SILEX）逐步替代传统高耗能方法。

我国同位素分离设备在核燃料、医用同位素等领域已实现关键突破，但部分高端仪器（如超高分辨率质谱）仍依赖进口。未来，随着政策支持和技术积累，国产设备有望在全球市场占据更大份额。

核裂变原理图

五、核裂变发电过程中的同位素分离技术

核裂变发电中的同位素分离技术是确保核燃料有效性、反应堆安全及放射性废物处理的核心环节。

（一）铀同位素分离：核燃料制备的核心

1. 气体扩散法

原理：利用²³⁵UF₆与²³⁸UF₆气体分子质量差异（质量差仅0.85%），通过多级扩散膜实现分离。
局限：能耗高（单级分离系数仅1.004），需上千级串联，逐渐被淘汰。

2. 气体离心法（主流技术）

原理：六氟化铀气体在超高速离心机（转速>5万转/分）中，较重同位素（²³⁸U）向壁富集，较轻同位素（²³⁵U）向轴心富集，单级分离系数达1.1–1.3。
优势：能耗仅为扩散法的1/20，建设成本低。我国已实现离心机国产化，支撑商用核电站燃料供应。

3. 激光分离法（SILEX）

原理：利用²³⁵U与²³⁸U原子/分子对特定波长激光的吸收差异选择性激发，再通过化学或物理方法分离。
进展：中核集团已研制硼同位素SILEX样机，为铀分离提供潜在低能耗路径。

（二）功能同位素分离：保障反应堆安全运行

1. 硼同位素分离——核电“安全密码”

技术突破：中核集团研发低温精馏法（-100℃），通过超低温精密筛分同步分离硼-10（中子吸收体）和硼-11（新材料原料），能耗降低40%。
产业化：宜昌130米高分离塔项目（2026年投产），年产165吨硼-10和6吨硼-11，彻底解决核电站控制棒材料进口依赖。

2. 铷同位素分离——高精度计时保障

电磁分离技术：原子能院自主研制分离器，产出高丰度铷-87同位素，用于北斗卫星铷原子钟，支撑导航系统时间精度。

核裂变堆安全系统示意图

（三）裂变产物同位素提取：资源化利用与医学应用

1. 医用钼-99的革新性生产

传统问题：需在研究堆辐照高浓铀靶件，存在核扩散风险且依赖进口。
中国突破：原子能院与秦山核电合作，全球首创商用坎杜堆辐照低浓铀靶件技术，产出核纯度99%的钼-99样品。关键技术是低浓铀靶件设计、溶解工艺优化、裂变产物高效提取。
意义：钼-99衰变生成锝-99m（占临床诊断放射性同位素80%），打破进口垄断，保障核医学安全。

2. 多元素同位素分离技术

核理化院实现公斤级高丰度钼-100、镱等同位素分离，支撑半导体与核医学材料需求。

（四）放射性废物中的同位素分离：氚处理技术突破

1. 氚水净化挑战

氚（氢放射性同位素）半衰期12.3年，化学性质与氢相同，传统蒸馏法分离效率极低。

2. 催化质子交换（CPE）技术

创新点：苏州大学引入金属有机框架材料MIL-101(Cr)，构建固-液-气三相反应体系，开放金属位点降低同位素交换能垒至飞秒级。
效果：10米蒸馏塔测试显示分离效率提升4个数量级，理论塔板高度减半，为核废水除氚提供工业化方案。

（五）总结：技术挑战与发展趋势

1. 挑战与趋势

核裂变发电同位分离技术挑战与发展趋

2. 全链条技术覆盖

前端：铀浓缩（离心法主导）→ 中端：功能同位素（硼、铷）保障安全→ 后端：裂变产物（钼-99）资源化与废物（氚）净化。

3. 战略意义

硼同位素国产化（宜昌基地）破解核电“卡脖子”问题；
低浓铀产钼-99技术全球首创，兼具经济性与防扩散价值；
氚水净化效率革命性提升，助力核能可持续发展。

从铀浓缩的离心轰鸣到氚净化的飞秒级质子跃迁，同位素分离技术既支撑着核裂变能源的基石，亦牵引着核废料资源化与医学应用的未来——其精微之处，恰是核工业安全与创新的命脉所在。

可控核聚变模型图

六、核聚变发电过程中的同位素分离技术

（一）氢同位素分离：氘（D）与氚（T）燃料制备

1. 动力量子筛（KQS）技术突破

多孔有机网格材料：英国利物浦大学研发的混合多孔有机材料，通过精确调控孔道尺寸（亚纳米级），利用氘原子较氕（H）更高的零点能差异，在30K低温下实现氕/氘气体高效筛分，分离效率较传统纳米孔材料显著提升。
优势与局限：合成步骤产率近100%，无需中间纯化，易于放大；但需极低温环境（-243℃），团队正优化材料以提高操作温度。

2. 晶格约束核聚变（LCF）衍生技术

室温氚富集：NASA发现将氘原子嵌入金属铒晶格，可屏蔽原子核间库仑斥力，在室温下实现燃料密度比托卡马克等离子体高4亿倍。Astral Systems据此开发“多态核聚变（MSF）”装置，每秒产生万亿次聚变，为氚的按需生产提供新路径。

（二）锂同位素分离：氚增殖材料⁶Li富集

1. 电化学嵌入法

一维通道选择性吸附：最新研究利用ζ-V₂O₅的一维隧道结构，通过调控锂离子嵌入动力学差异，实现⁶Li⁺选择性富集，富集因子达57‰（传统化学交换法仅3‰–5‰）。原位光谱证实⁶Li⁺在通道内扩散能垒更低，迁移速率高于⁷Li⁺。
意义：⁶Li是氚增殖关键材料（⁶Li + n → T + ⁴He），此法能耗低、无有毒溶剂，为聚变堆燃料循环提供绿色方案。

（三）氚处理与资源化：废物净化及医用同位素联产

氚水（HTO）净化技术

催化质子交换（CPE）：苏州大学团队采用金属有机框架材料MIL-101(Cr)构建固-液-气三相体系，飞秒级同位素交换速率使氚水分离效率较传统蒸馏提升4个数量级。
聚变-医学联产：Astral Systems的MSF装置利用聚变中子轰击靶材（如铒），直接生产锕-225、铅-212等医用α核素，纯度>94.7%，解决全球90%医用同位素依赖老化裂变堆的危机。

（四）技术挑战与创新方向

核聚变同位素分离技术挑战与创新方向

（五）总结：战略价值与未来展望

1. 燃料自主保障

氘从海水中提取（45万亿吨储量），1升海水聚变能等效300升汽油；
⁶Li电化学富集技术推动我国盐湖锂资源高值化利用。

2. 多产业协同创新

能源-医学融合：聚变中子源生产锕-225（肿瘤克星）、铅-212等，南华大学已实现独居石矿提取铅-212的产业化突破；
材料革新：金属晶格约束聚变推动紧凑型装置发展，或颠覆托卡马克巨型工程路径。

3. 结语：从深海氘提取到室温晶格聚变，同位素分离技术正突破极低温与高能耗的百年桎梏——其精微孔道中筛出的不仅是清洁能源的火种，更是打开“一炉多产”型聚变经济的密钥：既照亮人类能源未来，亦点燃对抗癌症的星火。

聚核聚变发电模型图

七、钍反应堆发电过程中的同位素分离技术

钍反应堆（如熔盐堆）发电过程中的同位素分离技术涉及燃料制备、核素增殖、废物处理等多个环节。钍基核能系统的核心在于钍-232（²³²Th）转化为铀-233（²³³U）的增殖过程，同时伴随多种放射性同位素的产生，需高效分离以保障燃料循环、安全运行及医用同位素提取。

（一）钍燃料循环中的关键同位素分离技术

1. 钍-232与铀-233的分离

1）溶剂萃取法（主流技术）

原理：利用钍（Th⁴⁺）和铀（U⁴⁺/UO₂²⁺）在有机相（如TBP/煤油）与水相中的分配系数差异进行分离。
创新：中科院上海应物所开发熔盐-超临界CO₂协同萃取技术，通过调控钍/铀络合物在超临界流体中的溶解度，分离效率提升30%。

2）离子交换色谱法

案例：美国能源部采用MP-1阴离子交换树脂从辐照钍靶中分离铀-230（²³⁰U）和镤-230（²³⁰Pa），回收率>96%。

2. 镤-233（²³³Pa）的中途提取

1）挑战：²³³Pa是²³²Th→²³³U的中间产物（半衰期27天），需及时分离以避免中子俘获损失。

2）技术方案：

高温氟化挥发法：利用PaF₅与ThF₄挥发温度差异（PaF₅更易挥发），在熔盐堆在线分离系统中实现连续提取。
萃淋树脂法：中国原子能科学研究院采用UTEVA树脂（负载戊基膦酸二戊酯），从高酸度熔盐中选择性吸附Pa，去污系数>10⁴。

（二）裂变产物与医用同位素分离

1. 锕系-镧系元素分离

难点：熔盐堆废物中含镎（Np）、锔（Cm）等长寿命锕系元素，需与镧系元素（如Nd、Sm）分离以减少放射性毒性。
突破性材料：TODGA萃取剂，对三价锕系/镧系选择性比达100:1，已用于我国“启明星Ⅱ号”快堆乏燃料处理；MOFs材料，如MIL-101(Cr)修饰氨基膦酸基团，对铀/钍吸附容量达400mg/g，可耦合熔盐净化系统。

锕-225自动化分离流程示意图

2. 医用α核素联产技术

锕-225（²²⁵Ac）提取：加速器辐照法：中科院近代物理所利用兰州重离子加速器轰击钍靶，通过自动化双柱分离系统（阴离子交换柱+DGA柱）提取²²⁵Ac，纯度94.7%。
铅-212/铋-212（²¹²Pb/²¹²Bi）提取：南华大学技术：开发多孔二氧化硅负载阴离子交换树脂，从钍衰变链中直接吸附Pb²⁺/Bi³⁺，处理量达吨级/日，回收率>99%。

（三）氚（³H）管理与同位素分离

来源：熔盐堆中²³²Th(n,2n)反应及锂-6（⁶Li）增殖产生氚，易渗透金属结构造成脆化。
分离技术：催化交换-低温蒸馏，将氚转化为HT或HTO后，通过Pd膜催化交换富集，再低温精馏提纯；金属氢化物筛，如锆钴合金（ZrCo）选择性吸附氚，脱附纯度>99.9%，已用于ITER氚处理系统。

（四）技术挑战与未来方向

钍堆同位素分离技术与挑战

（五）战略意义与中国进展

燃料自主化：钍基熔盐堆（TMSR）可摆脱铀资源依赖，我国已在甘肃武威建成全球首座实验堆（TMSR-LF1）。
医用同位素突破：²²⁵Ac、²¹²Pb/²¹²Bi等α核素国产化，打破美国（ORNL）、俄罗斯（Kurchatov）垄断。
废物最小化：锕系-镧系分离技术使高放废物量减少90%，支撑“双碳”目标。

从熔盐高温萃取到飞秒级α核素提纯，钍堆同位素分离技术既承载着“钍铀循环”的能源梦想，亦链接着癌症治疗的希望——其精微之处，恰是核能“多联产”创新的核心命脉。

八、同位素分离技术在核废料处理过程中的应用

同位素/原子分离技术在核废料处理中发挥着至关重要的作用，涉及高放射性废物的减容、资源回收、长寿命核素嬗变及医用同位素提取等多个方面。

（一）锕系-镧系元素分离：降低长期放射性毒性

1. 六价镅（Am）稳定化与超滤分离

挑战：镅（Am-241/243）是核废料长期放射性的主要来源，但化学性质与镧系元素（如Nd、Sm）极为相似，传统方法难以分离。
突破：苏州大学王殳凹团队设计无机缺位多酸簇合物，通过精准匹配六价镅的配位构型，使其在水溶液中稳定存在，并利用尺寸差异实现超滤分离，单步分离因子达780，回收率91%。
意义：为镅的中子嬗变（转化为短寿命核素）提供高纯度原料，减少核废料长期危害。

2. TODGA萃取剂技术

我国“启明星Ⅱ号”快堆采用TODGA（四辛基二甘醇酰胺）萃取剂，对三价锕系/镧系的选择性比达100:1，显著提升分离效率。

（二）短寿命医用同位素提取：核废料资源化

1. 铅-212/铋-212的高效分离