Научные достижения химического факультета
19.12.2023
Химики МГУ разгадали полувековую загадку нептуния
Коллектив ученых химического,
геологического факультетов МГУ и НИЦ "Курчатовский институт" расшифровал
структуры и описал свойства карбонатов пятивалентного нептуния. Исследование,
выполненное в рамках проекта РНФ №22-73-10056, затрагивает обширную проблему
создания безопасных и надежных хранилищ для высокорадиоактивных отходов ядерной
энергетики.
Фокусом исследования, опубликованного в высокорейтинговом журнале
Inorganic Chemistry, стал радиоактивный элемент нептуний, характеризующийся
высокой радиотоксичностью и длительным периодом полураспада. Отработавшее
ядерное топливо содержит менее одного процента нептуния, однако с течением
времени концентрации этого элемента в радиоактивных отходах возрастает за счет
распада другого радионуклида – америция. "Существующие концепции захоронения
радиоактивных отходов предусматривают их нахождение в хранилищах тысячи лет.
Работа радиохимиков заключается в том, чтобы предсказать, как различные
радионуклиды будут вести себе на столь длительных промежутках времени", --
рассказал вице-президент РАН, научный руководитель химического факультета МГУ,
соавтор работы академик Степан Калмыков.
В числе прочего ученым
необходимо предусмотреть сценарии утечки отработавшего ядерного топлива в
окружающую среду из мест захоронения. Для этого необходимо понимать, как
внешние условия влияют на физико-химическую форму интересующего элемента.
"Поясню на примере нептуния, -- рассказывает участник
исследования, научный сотрудник кафедры радиохимии химического факультета
МГУ Татьяна Плахова. -- Предположим, нептуний “сбежал” из бочки
радиоактивных отходов и попал в подземные воды, насыщенные кислородом. Если
нептуний будет оставаться в водной фазе в виде катионов, то подземные воды
быстро унесут его на дальние расстояния. Такие растворенные формы называются
подвижными. Если же он по пути зацепит анион из окружающей среды и осядет
вместе с ним (то есть, образует твердую фазу), то пути миграции этого
радиоактивного элемента будут определяться свойствами этой фазы".
Нептуний легко образует
твердые фазы с карбонат-ионами. В присутствии ионов щелочных и щелочноземельных
металлов возникает образование смешанных карбонатов нептуния. Смешанные
карбонаты нептуния представляют собой слоистые структуры, где чередуются
положительно и отрицательно заряженные слои. В отрицательно заряженном слое
(анионном) находятся атомы углерода, кислорода и нептуния. Положительно
заряженные катионы щелочного или щелочного земельного металла встраиваются в
межслоевое пространство и компенсируют заряд. Первые научные обсуждения химии
смешанных карбонатов нептуния относятся к 1950-60-х годам, однако до
сегодняшнего качественных кристаллографических данных для этих слоистых
соединений получено не было.
Благодаря слаженной работе
радиохимиков, химиков-неоргаников и специалистов в области синхротронных
исследований удалось впервые полностью расшифровать структуры гексагонального
калиевого карбоната нептуния и триклинного натриевого карбоната. Оказалось,
структура анионного слоя в этих соединениях будет сильно зависеть от радиуса
катиона в межслоевой пространстве. При осаждении нептуния из раствора в
присутствии конкурирующий катионов калия и натрия в нейтральной среде
преимущественно образуется калиевый карбонат нептуния, что указывает на его
более высокую термодинамическую стабильность. При этом при появлении в системе
катиона кальция происходит образование кальциевого карбоната.
“Казалось бы, синтез и
исследование карбонатов -- такого знакомого химикам и понятного класса
соединений не должен представлять особой сложности, -- поделилась своим опытом соавтор статьи, младший научный сотрудник
кафедры радиохимии химического факультета МГУ Анастасия Кузенкова.
-- Но все, что касается актинидов, особенно нептуния и его соседа плутония, в
один миг становится непростой задачей. Безопасное исследование радиоактивных
образцов сопряжено с особыми сложностями. Мы на кафедре радиохимии работаем с
очень низкими (практически фоновыми) концентрациями радионуклидов, а это
значит, что малейшие примеси могут исказить результат работы. Так, нам очень
долго не удавалось синтезировать чистую фазу смешанного карбоната нептуния с
натрием, так как на примесном уровне в растворе часто присутствовал катион
калия, который тут же образовывал калиевый карбонат нептуния. Следующая
сложность связана с необходимость исследовать ультрамалые количества
радиоактивного образца. В этом нашей команде значительно помогло использование
синхротронного излучения. Оно позволило получить высококачественные
дифракционные данные, на основе которых наши коллеги с кафедры неорганической
химии мастерски восстановили структуры.".
Теперь авторам работы
предстоит узнать больше о структуре карбонатов нептуния с двухвалентыми
катионами: кальция, магния, марганца, а также исследовать их растворимость.
Также в планах коллектива соавторов изучить смешанные карбонаты плутония, так как существует
обоснованное предположение, что плутоний будет также склонен к образованию
слоистых карбонатов с щелочными и щелочноземельными катионами и их структуры
будут похожи на нептуниевые. Полученные результаты расширят фундаментальные знания о твердых
фазах актинидов и станут
основой для новых технологических решений в области обработки и утилизации
радиоактивных отходов, обеспечивая безопасность и эффективность в области
ядерных технологий.
Ссылка на статью:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.3c02737
https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.3c02737
На фото: Кузенкова Анастасия Сергеевна
