Химики 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 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 себя на столь длительных промежутках времени», – прокомментировал вице-президент РАН, научный руководитель химического факультета МГУ, соавтор работы академик Степан Калмыков.

В числе прочего ученым необходимо предусмотреть сценарии утечки отработавшего ядерного топлива из мест захоронения в окружающую среду. Для этого важно понимать, как внешние условия влияют на физико-химическую форму интересующего элемента. «Поясню на примере нептуния, – рассказала 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 щелочноземельного металла встраиваются в межслоевое пространство и компенсируют заряд. Первые научные обсуждения химии смешанных карбонатов нептуния относятся к 1950-60-х гг., однако до сегодняшнего дня 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 должно 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 необходимостью 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».

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.