Научные достижения химического факультета
15.03.2023

Химики МГУ создали экстрагент
для эффективной переработки ядерных отходов

Сотрудники кафедры радиохимии Химического факультета МГУ с коллегами из Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН предложили экстрагент для совместного извлечения группы актинидов из отработанного ядерного топлива. Технология обеспечивает возможность структурной настройки для извлечения определенной группы актинидов, а также решает проблему концентрирования чистого плутония. Работа поддержана грантом Минобрнауки 075-15-2020-782 и опубликована в журнале Inorganic Chemistry.

Работа ядерных реакторов сопровождается образованием большого количества радиоактивных отходов. На протяжении десятилетий эти отходы либо складировались, либо перерабатывались посредством пурекс-процесса – технологии извлечения урана и плутония. При этом оставались не переработанными другие радиоактивные элементы: актиниды, цезий и стронций.

"С пурекс-процессом связана так называемая "проблема концентрирования плутония", – рассказывает с.н.с. кафедры радиохимии, д.х.н., соавтор работы Наталия Борисова. – Современные исследователи стараются избегать любых технологий, которые могут приводить к получению чистого плутония. Это важно для нераспространения ядерного оружия, поэтому ведется разработка альтернативных процессов переработки отработанного ядерного топлива".

При этом перед исследователями стоит задача замыкания ядерного топливного цикла – выделения из отработанного топлива радиоактивных элементов, которые можно вновь загружать в реактор. Так отработанное топливо возвращается в работу, а проблема длительного хранения отходов исчезает, так как захораниваются только короткоживущие изотопы.

"Мы, конечно, не получаем бесконечный цикл, а сильно сокращаем потребности в новом топливе для поддержания функционирования атомных станций, – пояснила Наталия Борисова. – Но для полноценного замыкания цикла нужно собрать все актинидное топливо, желательно в одном месте. Наше исследование направлено на то, чтобы решить проблему извлечения в едином цикле актинидов с разными валентностями. Предложенный экстрагент эффективно справляется с этой задачей: мы извлекаем всю актинидную группу сразу, можем использовать ее в дальнейшем производстве топлива, попутно решая проблему концентрирования плутония".

Преимущество предложенной технологии в высоких коэффициентах разделения и высокой емкости экстрагента. Аналогичные схемы обычно основываются на соединениях, плохо связывающихся с актинидами. Они используются в технологических процессах, но их эффективность меньше. Также новая технология ориентирована на работу в сильнокислых растворах, изначально разработанных для пурекс-процесса. То есть нет необходимости дополнительно изменять уже существующие технологии, генерируя новые отходы. Это очень важный с точки технологии процесса момент.

"Нам удалось не только провести серию экстракционных экспериментов, но и вырастить кристаллы экстрагируемых комплексов, – рассказала Наталья Борисова. – Это позволяет получить информацию об особенностях перехода металлов в органическую фазу и связывания их с экстрагентом. А это уже приводит к пониманию того, как можно изменить структуру экстрагента так, чтобы настроить систему на лучшее извлечение определенной группы актинидов. Сейчас мы активно продолжаем работать в этом направлении".

Ссылка на статью: Nataliya E. Borisova, Alexandre M. Fedoseev, Galina V. Kostikova, Petr I. Matveev, Leonid Yu. Starostin, Marina N. Sokolova, and Mariia V. Evsiunina
Solvent Extraction and Conformation Rigidity: Actinide(IV) and Actinide(VI) Come Together
Inorg. Chem. 2022, 61, 51, 20774–20784
https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.2c02578