Сотрудники кафедры радиохимии химического факультета МГУ узнали, как меняется химическое окружение церия при сорбции на поверхности природных минералов. Полученные данные помогут создать карту миграции как самого церия, так и схожих с ним по поведению радиоактивных элементов.
Работа выполнена в рамках национального проекта «Наука и университеты», который призван поддерживать и развивать научную деятельность и образование в России. Исследование поддержано грантом Минобрнауки России №075-15-2022-1107, результаты опубликованы в журнале Enviromental Science & Technology.
Среди факторов загрязнения окружающей среды особое место занимают радиоактивные соединения. В последнее время многие страны мира стремятся перейти на атомные электростанции, которые не загрязняют атмосферу и потребляют энергоемкое топливо в небольших количествах. Однако до сих пор существует проблема захоронения отработанного ядерного топлива (ОЯТ), в котором содержатся различные радионуклиды.
«Любое захоронение ОЯТ подразумевает большое количество систем защиты от утечек радиоактивности. Если все же происходит какая-то нештатная ситуация, мы должны понимать, куда и в какой форме могут мигрировать радионуклиды», – рассказывает один из авторов работы, сотрудник кафедры радиохимии химического факультета МГУ Анастасия Смирнова.
Один из наиболее опасных элементов в отработанном ядерном топливе – плутоний. Даже в лабораторных условиях далеко не всегда получается изучить химию и поведение этого радионуклида: необходимо соблюдать особые меры предосторожности, а это затрудняет организацию и процесс работы. Однако моделирование на стабильном изотопе, например, церии, может помочь решить эту проблему, так как при работе со стабильными элементами открывается больше технических возможностей. Так как церий также встречается в окружающей среде, он стал не просто моделью плутония, а интересным самостоятельным объектом изучения.
«Церий по своим химическим свойствам похож на плутоний. Это особенно заметно при изучении соединений со степенями окисления Ce+3 и Ce+4. Когда мы рассматриваем процесс миграции церия в природе, переход от Ce+3 к Ce+4 сильно влияет на растворимость его соединений, их сорбцию природными минералами и, как следствие, пути распространения в окружающей среде», – поясняет Анастасия Смирнова.
Химики исследовали процесс сорбции церия на трех минералах: анатазе, гетите и бернессите. Оказалось, что степень окисления и состав соединений церия меняются лишь на бернессите. Для изучения химического окружения металла на минерале ученые использовали метод рентгеновской абсорбционной спектроскопии высокого разрешения HERFD-XANES. Для установления точного состава соединения необходимо, чтобы спектр исследуемого образца совпал с эталонным спектром чистого вещества. Однако здесь научная группа столкнулась с проблемой: полученный спектр указывает на то, что Ce+3 окислился до Ce+4, но спектры известного соединения CeO2 и образца немного различаются.
На помощь пришли квантово-химические расчеты. С помощью компьютерных методов исследователи смогли проверить несколько гипотез о химическом окружении церия. Они моделировали на поверхности минерала структуры разных соединений, а затем получали спектры этих виртуальных образцов. Возможность «нарисовать» много вариантов соединений и сравнить их спектры с реальными существенно облегчает анализ образцов, ведь воспроизвести все варианты химического окружения исследуемого металла практически невозможно.
В планах научной группы – расширение круга исследуемых минералов, а также изучение зависимости сорбции и химического окружения церия от кислотности среды, концентрации ионов металла и других факторов. Химики также планируют изучить сорбционное поведение других радионуклидов – эти данные позволят прогнозировать миграцию опасных изотопов и предотвратить загрязнение окружающей среды.