12 августа 2011

Новый лиганд селективно экстрагирует актиноиды из ОЯТ

Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2011, DOI: 10.1021/ja203378m

Кажется, что до окончательного решения проблемы радиоактивного ядерного топлива осталось немного. Такие перспективы открывает новый лиганд, способный к селективной экстракции радиоактивных компонентов из отработанного ядерного топлива (ОЯТ), после экстракции радиоактивные компоненты могут быть снова использованы для извлечения энергии.

Эти компоненты отработанного топлива – минорные актиноиды – до настоящего времени не могли быть отделены от сопутствующих лантаноидов, что не дает возможности повторного применения радиоактивных компонентов ОЯТ. Актиноиды отличаются высокой радиоактивностью, и, если нет возможности их выделения и практического применения, смеси, содержащие актиноиды необходимо хранить тысячи лет. Однако, если селективно извлечь актиноиды из ОЯТ, можно получить двойную выгоду – радиоактивные актиноиды могут быть использованы повторно в качестве топлива, а оставшиеся после их извлечения отходы ядерной энергетики будут отличаться гораздо меньшим уровнем радиоактивности, что позволит хранить их, дожидаясь естественной дезактивации, гораздо меньшее время – от одной до двух сотен лет.

В типичном цикле работы ядерного реактора в результате использования 500 кг урана образуется около 850 кг радиоактивных отходов, обладающих значительной интенсивностью остаточной радиации. Остаточная радиация обуславливается присутствием в отходах минорных актиноидов – нептуния, америция и кюрия. Возглавлявший исследование Лоуренс Харвуд (Laurence Harwood) из Университета Рединга (Великобритания) отмечает, что эти актиноиды чрезвычайно радиоактивны, и их необходимо хранить под слоем бетона в несколько метров.

Новый лиганд связывается исключительно с актиноидами, что упрощает их отделение.

Планируется, что в ближайшее десятилетие в ядерной энергетике начнет применяться новое поколение реакторов, которые могут использовать эти минорные актиниды в качестве топлива, окончательно превращая их в нерадиоактивные продукты распада. Планируется, что работа новых реакторов будет основана на том, что высокоактивный пучок нейтронов будет бомбардировать распадающийся материал. Для таких реакторов весьма важным условием является контроль направления и интенсивности пучка нейтронов – только в этом случае реакция деления сможет протекать с подходящей скоростью. Лантаноиды же, являясь эффективными поглотителями нейтронов, могут мешать этому процессу.

Международная группа исследователей, работавших под руководством Харвуда, модифицировала ранее разработанный лиганд, значительно увеличив его селективность по отношению к актиноидам. Центральным элементом структуры исходного лиганда были четыре азотсодержащих ароматических цикла, они отличались неплохой селективностью, но были уязвимы к атакам радикалов, образующихся под воздействием ионизирующего излучения.

Модификация лиганда заключалась в том, что исследователи синтезировали молекулу с более жесткой структурой, а также ввели в структуру тетраметилциклогексильные фрагменты. Эффект модификации приятно поразил исследователей – при том, что уровень селективности 20:1 (концентрация комплексов [лиганд-актиноид] превышает концентрацию комплекса [лиганд-лантаноид] в 20 раз), новый лиганд –2,9-бис(1,2,4-триазин-3-ил)-1,10-фенантролин, позволяет добиться селективной экстракции актиноидов с уровнем 400:1.

Механизм связывания металла с лигандом, обуславливающий столь высокое значение селективности, пока еще остается неясен. По словам Харвуда, возможно, что с металлоцентром связывается две молекулы лиганда, образуя полость, окружающую катион. Возможно, что геометрические размеры такой полости и приводят к тому, лиганд предпочитает связываться с актиноидами, а не лантаноидами.