Научные достижения химического факультета

Церий подсказал химикам МГУ пути миграции радионуклидов

Сотрудники кафедры радиохимии Химического факультета МГУ узнали, как меняется химическое окружение церия при сорбции на поверхности природных минералов. Полученные данные помогут создать карту миграции как самого церия, так и схожих с ним по поведению радиоактивных элементов. Исследование поддержано грантом Минобрнауки России №075-15-2022-1107, результаты опубликованы в журнале Enviromental Science&Technology.

Среди факторов загрязнения окружающей среды особое место занимают радиоактивные соединения. В последнее время многие страны мира стремятся перейти на атомные электростанции, которые не загрязняют атмосферу и потребляют энергоемкое топливо в небольших количествах. Однако до сих пор существует проблема захоронения отработанного ядерного топлива (ОЯТ), в котором содержатся различные радионуклиды: "Любое захоронение ОЯТ подразумевает большое количество систем защиты от утечек радиоактивности. Если все же происходит какая-то нештатная ситуация, мы должны понимать, куда и в какой форме могут мигрировать радионуклиды", -- рассказывает один из авторов работы, сотрудник кафедры радиохимии Химического факультета МГУ к.х.н. Анастасия Смирнова.

Один из наиболее опасных элементов в отработанном ядерном топливе – плутоний. Даже в лабораторных условиях далеко не всегда получается изучить химию и поведение этого радионуклида: необходимо соблюдать особые меры предосторожности, а это затрудняет организацию и процесс работы. Однако моделирование на стабильном изотопе, например, церии может помочь решить эту проблему, так как при работе со стабильными элементами открывается больше технических возможностей.  Так как церий также встречается в окружающей среде, он стал не просто моделью плутония, а интересным самостоятельным объектом изучения: "Церий по своим химическим свойствам похож на плутоний, это особенно заметно при изучении соединений со степенями окисления Ce⁺³ и  Ce⁺⁴. Когда мы рассматриваем процесс миграции церия в природе, переход от  Ce⁺³ к  Ce⁺⁴ сильно влияет на растворимость его соединений, их сорбцию природными минералами и, как следствие, пути распространения в окружающей среде",-- поясняет Анастасия Смирнова.

Химики исследовали процесс сорбции церия на трех минералах: анатазе, гетите и бернессите. Оказалось, что степень окисления и состав соединений церия меняется лишь на бернессите. Для изучения химического окружения металла на минерале ученые использовали метод рентгеновской абсорбционной спектроскопии высокого разрешения HERFD-XANES. Для установления точного состава соединения необходимо, чтобы спектр исследуемого образца совпал с эталонным спектром чистого вещества. Однако здесь научная группа столкнулась с проблемой: полученный спектр указывает на то, что Ce⁺³ окислился до Ce⁺⁴, но спектры известного соединения CeO₂ и образца немного различаются.

На помощь пришли квантово-химические расчеты. С помощью компьютерных методов исследователи смогли проверить несколько гипотез о химическом окружении церия. Они моделировали на поверхности минерала структуры разных соединений, а затем получали спектры этих виртуальных образцов. Возможность "нарисовать" много вариантов соединений и сравнить их спектры с реальными существенно облегчает анализ образцов, ведь воспроизвести все варианты химического окружения исследуемого металла практически невозможно.

В планах научной группы расширить круг исследуемых минералов, а также изучить зависимость сорбции и химического окружения церия от кислотности среды, концентрации ионов металла и других факторов. Химики также планируют изучить сорбционное поведение других радионуклидов – эти данные позволят прогнозировать миграцию опасных изотопов и предотвратить загрязнение окружающей среды.

Автор текста: Екатерина Изергина/пресс-служба химического факультета МГУ

На фото: Анастасия Смирнова

Автор фото: Юлия Чернова/пресс-служба химического факультета МГУ