Коллектив ученых химического и физического факультетов МГУ получил и исследовал новый класс лигандов для переработки отработанного ядерного топлива. Полученные данные вместе с разработанным подходом к изучению комплексных соединений в растворе позволяют подобрать эффективный экстрагент для выделения редкоземельных и переходных металлов из смесей. Результаты исследования поддержаны грантом Минобрнауки России № 075-15-2022-1107 в рамках национального проекта «Наука и университеты» и опубликованы в журнале Solvent Extraction and Ion Exchange.
Развитие атомной энергетики не только приносит человечеству большое количество дешевой энергии, но и заставляет задуматься о способах утилизации радиоактивных материалов и отработанного ядерного топлива (ОЯТ). Когда реактор прекращает работу, в нем остаются радионуклиды разной степени активности. В России переработка реализуется по схеме замкнутого ядерно-топливного цикла: топливо извлекают из реактора, затем выделяют уран и плутоний для повторного использования, а остальные элементы переводят в безопасные формы для захоронения. Но не все радионуклиды можно переработать одним и тем же способом: «Один из компонентов, америций, мы можем “дожигать” в реакторе на быстрых нейтронах. Он превращается в другие более короткоживущие радионуклиды, которые проще утилизировать. Но вместе с америцием в ОЯТ присутствуют лантаноиды – нейтронные яды. Они снижают эффективность работы реактора», – рассказала автор работы, младший научный сотрудник кафедры радиохимии химического факультета МГУ Екатерина Конопкина.
Для решения проблемы технологи и исследователи предложили делить высокоактивные отходы на фракции со схожими химическими или ядерно-физическими свойствами. Это помогает подобрать матрицу для иммобилизации радионуклидов и безопасно захоронить их. Один из способов разделить несколько элементов – жидкостная экстракция ионов металлов из раствора с помощью органических соединений – лигандов. Эффективность процесса напрямую зависит от строения лиганда и механизма его взаимодействия с ионом.
Ранее ученые предложили экстрагенты на основе фенантролина – азотсодержащего полициклического соединения. Но вскоре нашли еще одно интересное решение – лиганды на основе пиридина, модифицированного фосфором, – пиридиндифосфонаты. Они легче синтезируются и обладают достаточной селективностью. Однако изучить механизм взаимодействия металлов и лиганда в растворе оказалось непросто. «В работе мы использовали несколько разных подходов, чтобы доказать строение образующихся комплексов: спектроскопию рентгеновского поглощения EXAFS, ЯМР- и спектрофотометрическое титрование. Изучать строение соединения в растворе трудно, так как для этой цели подходит немного методов, а результаты, полученные только одним методом, часто не считаются достоверными. Мы провели экстракцию ряда лантаноидов из азотнокислых раствора и установили состав образующихся комплексных соединений – ML и ML2 (где M-металл, L-лиганд). Кроме того, мы обнаружили зависимости между некоторыми физическими и химическими параметрами комплексов. Все эти данные мы сможем использовать не только в разработке новых лигандов, но и для создания новых экстракционных систем», – пояснила Екатерина Конопкина.
На этом эксперименты с лигандами не заканчиваются. Ученые уже исследуют селективность пиридиндифосфонатов к d-элементам и создают потенциометрические сенсоры с этими лигандами. Также продолжается работа по поиску более эффективных экстрагентов. Вполне возможно, что пиридиндифосфонаты – еще одна ступень на пути к многокомпонентным селективным экстракционным системам.
В исследовании, помимо ученых МГУ, приняли участие сотрудники Курчатовского института и Института общей и неорганической химии РАН.
Пресс-служба МГУ
