Научные достижения химического факультета
11.12.2023
Ученые МГУ
создали новый экстрагент для извлечения высокоактивных компонентов из ядерного
топлива
Коллаборация
сотрудников химического факультета МГУ совместно с Курчатовским институтом,
РУДН и Сеченовским университетом создала органическое соединение, помогающее
эффективнее разделять и перерабатывать компоненты отработанного ядерного
топлива. Показатели селективности нового лиганда выросли в 10-15 раз по
сравнению с предшественниками, эффективность экстракции в сильнощелочных средах
также возросла на 1-5 порядков. Исследования поддержаны грантом Минобрнауки
России №
075-15-2022-1107, грантом РНФ № 21-73-10067, их результаты опубликованы в журнале International Journal of Molecular Science.
Развитие
атомной промышленности заставило человечество задуматься о рисках, связанных с
использованием и утилизацией радиоактивных материалов. Когда у топлива реактора
заканчивается срок службы, в отработанном ядерном топливе (ОЯТ) накапливается
множество различных изотопов элементов. В России принята концепция замкнутого
ядерного топливного цикла: отработанное топливо стремятся не утилизировать
сразу после использования, а перерабатывать и использовать повторно: “Мы можем
выделить из ОЯТ уран и плутоний, чтобы вновь использовать их в качестве
источника энергии в реакторах. Другие компоненты – америций, кюрий, лантаноиды,
переходные металлы – необходимо разделить между собой, так как некоторые из них
ухудшают характеристики топлива или не позволяют безопасно его утилизировать.
Например, америций в процессе распада испускает альфа-частицы, они разрушают
матрицы для захоронения отходов. Когда мы выделяем америций из ОЯТ,
радиоактивность топлива становится меньше, а значит, его проще захоронить,” –
поясняет один из авторов работы, сотрудник кафедры радиохимии химического
факультета МГУ Ульяна Лексина.
Один из
популярных способов разделения химических элементов в атомной отрасли –
экстракция. Эффективность процесса напрямую зависит от подбора экстракционного
агента. Соединения на основе азотсодержащего полициклического соединения
фенантролина уже давно применяют в радиохимии для разделения америция и
лантаноидов, урана и других компонентов. В то
же время, для экстракции металлов в химии часто используют макроциклы – большие
циклические молекулы с атомами–донорами электронов, способными связываться с
атомом металла. Чем лучше размер частицы металла подходит к размеру полости
цикла, тем выше селективность. Научная группа химического факультета МГУ
предложила совместить два класса соединений: “Мы решили создать новый лиганд
в виде макроцикла на основе фенантролиндиамидов и проверить, даст ли это
синергетический эффект. Новое соединение обладает интересными свойствами:
мы можем количественно проводить экстракцию в сильнощелочной среде (до pH=14),
в которой другие известные макроциклы на основе фенолов – каликсарены – уже не
работают. Селективность также выросла в 10-15 раз по сравнению с известными
экстрагентами, – поясняет Ульяна Лексина. – Большинство исследований посвящено
экстракции компонентов отходов из кислых сред, так как в ядерной промышленности
ОЯТ чаще всего растворяют в азотной кислоте. Однако на специализированных
предприятиях хранится большое количество щелочных отходов, относящихся к
ядерному наследию, которые также нужно переработать. Сейчас в этом направлении
не так много работ, поэтому наше соединение может стать отправной точкой при
создании новых лигандов для щелочных сред”.
Теперь авторам
работы предстоит упорядочить знания о механизме экстракции: в щелочном растворе
целевые металлы существуют в виде комплексных соединений - их состав и строение
необходимо выяснить. Кроме того, ученые планируют повысить растворимость
макроциклов за счет синтетических модификаций, что расширит область применения
этого класса соединений.
Ссылка на статью
Pavel S. Lemport, Valentine S. Petrov, Petr I. Matveev, Uliana M. Leksina,
Vitaly A. Roznyatovsky, Igor P. Gloriozov, Alexandr V. Yatsenko, Viktor A. Tafeenko,
Pavel V. Dorovatovskii, Viktor N. Khrustalev, Gleb S. Budylin, Evgeny A. Shirshin,
Vitaliy Yu. Markov, Alexey A. Goryunkov, Vladimir G. Petrov, Yuri A. Ustynyuk,
Valentine G. Nenajdenko
First 24-Membered Macrocyclic 1,10-Phenanthroline-2,9-Diamides—An Efficient Switch from Acidic to Alkaline Extraction of f-Elements
Int. J. Mol. Sci. 2023, 24(12), 10261
https://doi.org/10.3390/ijms241210261
Фотография автора (Лексина Ульяна Михайловна)
