2025-12-01
近日，中國(guó)同輻所屬中核高通發(fā)布了基于第四代MOF材料的同位素分離新技術(shù)——“吸附捕手”，該技術(shù)有哪些優(yōu)勢(shì)，將應(yīng)用在哪些方面?這要從天然水中高效獲取氘同位素講起。
水是生命的基石，一個(gè)水分子由兩個(gè)氫原子與一個(gè)氧原子構(gòu)成。在自然界中，氫以氕(1H)、氘(2H)、氚(3H)3種同位素形態(tài)存在，其中，氘的原子量是普通輕氫的兩倍，被稱為重氫——由兩個(gè)氘原子與一個(gè)氧原子組成的重水，在天然水中含量極少，堪稱水中稀品。
稀有的背后，藏著關(guān)鍵價(jià)值。氘同位素絕非普通物質(zhì)，它在能源、生物醫(yī)療、集成電路等領(lǐng)域扮演著不可替代的核心角色。尤其在核聚變領(lǐng)域，氘是氘氚聚變的燃料核心，其獲取效率與成本，直接決定著可控核聚變能否從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化應(yīng)用，更關(guān)系到人造太陽(yáng)能否真正照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
但問題隨之而來(lái)
如何高效獲取氘同位素？
目前的主流方式是從天然水中分離含氘的重水，本質(zhì)上都基于G-S精餾技術(shù)。“傳統(tǒng)方法存在分離因子低、能耗高、成本高昂、安全性待提升等短板。”業(yè)內(nèi)人士坦言，這些問題制約了氘的大規(guī)模應(yīng)用，導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍大量依賴進(jìn)口。
就在傳統(tǒng)技術(shù)面臨瓶頸之際，四川傳來(lái)好消息——中核高通發(fā)布了基于第四代MOF材料的同位素分離新技術(shù)——“吸附捕手”，引發(fā)行業(yè)廣泛關(guān)注。
這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新之處在于，精準(zhǔn)運(yùn)用2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)聚焦的第四代MOF材料前沿成果：通過分子尺度的定制化設(shè)計(jì)，讓分離材料具備精準(zhǔn)捕捉氘的能力，成功攻克了從天然水中高效提取氘的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了在常溫常壓這一溫和條件下的氘分離。
“相比傳統(tǒng)技術(shù)
‘吸附捕手’有著‘兩高兩低’的核心優(yōu)勢(shì)。”
所謂“兩高”即高純度、高效率，分離效率是傳統(tǒng)技術(shù)的4倍，可輕松產(chǎn)出純度達(dá)99.999%(5個(gè)9)的高純度氘;“兩低”則是低能耗、低成本，能耗僅為傳統(tǒng)技術(shù)的三分之一，且原料可直接選用易獲取的普通江河水，整體成本降至傳統(tǒng)技術(shù)的五分之一以內(nèi)。
此外，該技術(shù)還具備設(shè)備超小型化、無(wú)毒無(wú)害、安全穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，為后續(xù)落地推廣掃清了障礙。
這一突破并非偶然。自2023年起，中核高通研發(fā)團(tuán)隊(duì)便開啟了攻關(guān)之路，其間克服了諸多技術(shù)難關(guān)，包括研發(fā)中出現(xiàn)的多類反?，F(xiàn)象。例如，重水分子體積微小，要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)區(qū)分本就困難，加之分子始終處于動(dòng)態(tài)、多維度表達(dá)狀態(tài)，實(shí)時(shí)分析更是難上加難。
為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)從零起步，通過跨尺度結(jié)構(gòu)表征與反演、動(dòng)態(tài)過程解析、多維度表征綜合聯(lián)測(cè)等手段，逐步摸清了重水分子的選擇性分離機(jī)制原理。
在“捕手”材料篩選上，團(tuán)隊(duì)更是從數(shù)萬(wàn)種候選材料中精選出幾十種，還自主研發(fā)加速評(píng)價(jià)裝置評(píng)估材料穩(wěn)定性，最終成功開發(fā)出高效分離材料與配套裝備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氘同位素的精準(zhǔn)捕獲。
目前，“吸附捕手”技術(shù)已順利完成小試階段，預(yù)計(jì)2027年將推進(jìn)中試驗(yàn)證，為后續(xù)批量化生產(chǎn)做準(zhǔn)備。
“吸附捕手”技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣。除了分離氚、氦-3、鋰-6等核聚變關(guān)鍵材料，它還能跨界服務(wù)核醫(yī)療領(lǐng)域，分離镥-177、鋱-161、釔-90等被稱為“黃金同位素”的核心原料。“隨著氘獲取成本大幅降低，未來(lái)有望拉低市場(chǎng)上重水價(jià)格，進(jìn)一步解鎖更多應(yīng)用場(chǎng)景，為核聚變、重水堆、核醫(yī)療等關(guān)鍵領(lǐng)域提供有力支撐，開辟出產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的全新空間。”
來(lái)源：中國(guó)同輻
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