Радиоактивный элемент нептуний имеет высокую радиотоксичность и длительный период полураспада. Отработавшее ядерное топливо содержит менее одного процента нептуния. Со временем концентрация 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», – объяснил вице-президент РАН, научный руководитель химического факультета МГУ, соавтор работы академик Степан Калмыков.
Ученым нужно предусмотреть сценарии утечки отработавшего ядерного топлива из мест захоронения в окружающую среду. Поэтому они должны понимать, как внешние условия влияют на физико-химическую форму интересующего элемента. Этот момент на примере нептуния пояснила 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», – рассказала химик.
Первые научные обсуждения химии смешанных карбонатов нептуния относятся к 1950-60-х гг., но пока качественных кристаллографических данных для этих слоистых соединений получено не было. Совместная работа радиохимиков, химиков-неоргаников и специалистов в области синхротронных исследований позволила впервые полностью расшифровать структуры гексагонального калиевого карбоната нептуния и триклинного натриевого карбоната. Ученые выяснили, что структура анионного слоя в этих соединениях будет сильно зависеть от радиуса катиона в межслоевом пространстве. При осаждении нептуния из раствора в присутствии конкурирующих катионов калия и натрия в нейтральной среде преимущественно образуется калиевый карбонат нептуния. Это указывает на его более высокую термодинамическую стабильность, а при появлении в системе катиона кальция образуется кальциевый карбонат.
«Казалось бы, синтез и исследование карбонатов – такого знакомого химикам и понятного класса соединений – не должны представлять особой сложности, – отметила 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».
В частности, ученым 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.
«Другая 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», – добавила Анастасия Кузенкова.
Авторам работы планируют изучить смешанные карбонаты плутония, так как существует обоснованное предположение, что плутоний будет склонен к образованию слоистых карбонатов с щелочными и щелочноземельными катионами и их структуры будут похожи на нептуниевые. Результаты работы расширят фундаментальные знания о твердых фазах актинидов и станут основой для новых технологических решений в области обработки и утилизации радиоактивных отходов. Это поможет обеспечить безопасность и эффективность в области ядерных технологий.
Исследование опубликовано в журнале Inorganic Chemistry.
