Ультрафильтрационное разделение Am(VI)

Nature, том 616, страницы 482–487 (2023 г.) Процитировать эту статью

15 тысяч доступов

8 цитат

80 Альтметрика

Подробности о метриках

Отделение америция от лантаноидов (Ln), присутствующих в отработанном ядерном топливе, играет ключевую роль в устойчивом развитии ядерной энергетики1,2,3. Эта задача чрезвычайно сложна, поскольку термодинамически стабильные ионы Am(III) и Ln(III) имеют практически одинаковые ионные радиусы и координационный химический состав. Окисление Am(III) до Am(VI) приводит к образованию ионов AmO22+, отличных от ионов Ln(III), что в принципе может облегчить разделение. Однако быстрое восстановление Am(VI) обратно до Am(III) продуктами радиолиза и органическими реагентами, необходимыми для традиционных протоколов разделения, включая экстракцию растворителями и твердыми веществами, затрудняет практическое разделение на основе окислительно-восстановительного потенциала. Здесь мы сообщаем о наноразмерном кластере полиоксометаллата (ПОМ) с вакансионным участком, совместимым с селективной координацией шестивалентных актинидов (238U, 237Np, 242Pu и 243Am) по трехвалентным лантанидам в средах азотной кислоты. Насколько нам известно, этот кластер является наиболее стабильной формой Am(VI) в водных средах, наблюдавшейся до сих пор. Разделение наноразмерных кластеров Am(VI)-POM на основе ультрафильтрации от гидратированных ионов лантаноидов с помощью коммерчески доступных мелкопористых мембран позволяет разработать высокоэффективную и быструю стратегию прямоточного разделения америция и лантаноидов, не требующую каких-либо органических веществ. компонентов и требует минимальных энергозатрат.

Америций является побочным продуктом захвата нейтронов при производстве ядерной энергии и вносит основной вклад в долговременную радиотоксичность высокоактивных отходов. Эффективное извлечение америция с последующей трансмутацией в короткоживущие или стабильные нуклиды с использованием быстрых реакторов могло бы значительно снизить воздействие ядерной энергетики на окружающую среду. Однако сосуществование лантаноидов (Ln) с высокими сечениями захвата нейтронов (например, 157Gd) сильно ограничивает эффективность трансмутации. Преодоление этого препятствия требует разработки эффективных способов разделения америция и лантаноидов и остается давней проблемой в атомной промышленности на протяжении десятилетий. Эта трудность возникает в первую очередь из-за их схожего химического поведения, поскольку и америций, и лантаноиды существуют в растворе в виде термодинамически стабильных трехвалентных катионов, которые обладают почти одинаковыми ионными радиусами и координационной химией. Традиционное разделение использует тонкие различия в связях между ионами Am(III) и Ln(III), в результате чего экстрагенты, содержащие доноры азота или серы, обеспечивают преимущественное распределение Am(III) по сравнению с Ln(III)4,5. Однако этой стратегии разделения по-прежнему препятствует ограниченное различие между Am(III) и Ln(III) и, что более важно, образование больших количеств вторичных радиоактивных жидких отходов.

Одним из предложенных методов решения этой проблемы разделения является окисление Am(III) до более высоких степеней окисления Am(V) и Am(VI)6. Эти катионы обладают координационной химией, которая аналогична линейным диоксоранним актинильным ионам, таким как UO22+ и NpO2+, с анизотропной координацией, резко контрастирующей с относительно изотропными ионами Ln(III)7. Это, в принципе, приводит к лучшему различению америция и лантаноидов и последующему увеличению эффективности разделения. Хотя были исследованы различные методы на основе окислительно-восстановительного протокола, включая экстракцию растворителем8,9,10,11, осаждение12 и ионообменную хроматографию13, нерешенной проблемой является неизбежное восстановление высоковалентного Am обратно до Am(III) в процессе разделения. . Катионы Am(VI) являются сильными окислителями с потенциалами восстановления 1,6 В и 1,68 В для пар AmO22+/AmO2+ и AmO22+/Am3+ соответственно (по сравнению с насыщенным каломельным электродом (SCE))6. Следовательно, частицы Am(III) могут образовываться через несколько секунд после того, как ионы Am(VI) контактируют с органическими экстрагентами/растворителями или проходят через хроматографическую колонку, что делает такое разделение непрактичным. Фактически, как Am(VI), так и Am(V) традиционно считаются нестабильными в водном растворе, поскольку они могут даже эффективно восстанавливаться продуктами активного радиолиза, учитывая, что два распространенных изотопа америция, связанные с ядерным топливным циклом (241Am и 243Am) оба значительно радиоактивны.