Химики научились извлекать из ядерных отходов новое топливо, заодно снижая их радиоактивность
О достижении рассказывает научная статья, опубликованная в журнале Inorganic Chemistry командой во главе с Сантой Янсоне-Поповой (Santa Jansone-Popova) из Национальной лаборатории Ок-Ридж, США.
В мире накоплены сотни тысяч тонн отработанного ядерного топлива (ОЯТ). Эти вещества сохранят опасный уровень радиоактивности и через полмиллиона лет. Что с ними делать?
Простейший способ – захоронить где-нибудь в граните и забыть. Более сложный, но и более разумный – переработать. В конце концов, 95% ОЯТ – это уран-238, 1,5% – уран-235 и 1% – плутоний. Итого на остальные изотопы приходится только 2,5% отходов. Но и из них можно извлечь что-нибудь полезное, заодно сделав их менее опасными.
У цезия-137 период полураспада составляет около 30 лет, у стронция-90 примерно столько же. Поэтому через несколько веков эти радионуклиды, так досадившие человечеству из-за Чернобыля и Фукусимы, распадутся практически полностью. После этого основными источниками радиоактивности в ОЯТ будут плутоний (если он не извлечён) и так называемые второстепенные актиниды (minor actinides), в частности, нептуний, америций и кюрий.
Извлечение этих элементов может значительно снизить активность отходов. К тому же америций и кюрий – потенциальное ядерное топливо для реакторов на быстрых нейтронах.
Однако предварительно эти элементы нужно выделить и очистить. Это важно, потому что сопутствующие им лантаноиды являются так называемыми нейтронными ядами. Они поглощают нейтроны, необходимые для деления ядер, и тем самым препятствуют реакции.
Вещество, "нацеленное" на захват определённого элемента смеси, химики называют лигандом. Задача состояла в том, чтобы разработать лиганд, выделяющий америций из ОЯТ.
"Отделение америция является очень сложным, поскольку актиниды и продукты деления, особенно лантаноиды, обладают очень похожими свойствами", – объясняет Янсоне-Попова.
Команда рассчитала параметры нужного вещества. В частности, оказалось, что в молекуле должно быть четыре атома, отдающих электроны "жертве захвата". Кроме того, требовалось сделать пространственное расположение атомов в молекуле оптимально для присоединения америция (создать преорганизованный леганд, как говорят специалисты). Однако такие лиганды не были описаны в научной литературе. Учёным пришлось теоретически предсказывать их свойства, подбирать оптимальную формулу и искать пути синтеза.
В итоге исследователи создали циклический амид, содержащий по два атома азота и кислорода. Эти атомы сильно притягивались к положительным ионам америция и отдавали им электроны, тем самым создавая связь между ними.
Для того, чтобы "охотник" не захватывал вместе с америцием и европий (его экспериментаторы выбрали в качестве типичного представителя лантаноидов из ОЯТ), химические связи в молекуле сделали ненасыщенными, то есть содержащими более одного электрона.
На данный момент технология ещё не вышла на промышленный этап, но можно надеяться, что это произойдёт в ближайшие годы.