Ученые химического факультета МГУ нашли новый способ для эффективного извлечения соединений урана из отработавшего ядерного топлива. Это поможет снизить риски, которые связаны с утилизацией радиоактивных материалов. Результаты исследования, выполненного в рамках Национального проекта «Наука и университеты» и поддержанного грантом Минобрнауки России № 075-15-2022-1107 и грантом РНФ №21-73-10067, опубликованы в журнале Inorganic Chemistry.

Развитие атомной промышленности принесло человечеству не только самый энергоемкий вид топлива, но и риски, которые связаны с использованием и утилизацией радиоактивных материалов. Основной процесс ядерного реактора – бомбардировка изотопа урана-235 нейтронами. В результате этого ядро делится на более мелкие части и выпускает несколько нейтронов. Они дальше участвуют в реакции деления. Т.е. реакция приобретает лавинообразный характер. Когда реактор прекращает работу, то в отработанном ядерном топливе (ОЯТ) остаются радионуклиды разной степени активности. Некоторые из них можно извлечь и использовать снова, другие необходимо правильно утилизировать, чтобы не нанести вред окружающей среде. Сейчас перед учеными и технологами стоит задача разработать не только экономически выгодный, но и безопасный способ переработки ОЯТ. И именно поэтому такие работы поддерживаются национальным проектом «Наука и университеты» как приоритетные.

Коллектив сотрудников кафедр радиохимии, органической и физической химии химического факультета МГУ создал новый вариант соединения на основе фенантролина для извлечения урана из отработанного ядерного топлива с помощью экстракции. Ученые продемонстрировали высокую емкость предложенного лиганда по урану. Ее можно сравнить с экстрагентами, которые используются в промышленности.

В России переработка ядерного топлива реализуется по схеме замкнутого ядерно-топливного цикла: «После того как отработавшее топливо извлекают из реактора, из него выделяют уран и плутоний, чтобы снова использовать их как источник энергии. Помимо этих двух элементов, извлекают различные высокоактивные элементы (например, америций и кюрий). Это необходимо для того, чтобы захоронить отходы с меньшей радиоактивностью, – рассказывает один из авторов работы, сотрудник кафедры радиохимии химического факультета МГУ Светлана Гуторова. – Тот уран, который мы получаем из ОЯТ, содержит больше активного 235-го изотопа, чем природные образцы, что позволяет нам использовать его далее с меньшими затратами на обогащение». 

Сейчас для переработки урана и плутония на предприятиях применяют технологию PUREX: сначала их извлекают из топлива, а затем разделяют с помощью окислительно-восстановительной реакции в смеси водной и органической фаз. Это не очень удобно, так как многие элементы, которые находятся в ОЯТ, могут окисляться и восстанавливаться. Следовательно, они также перемещаются по фазам вместе с ураном и плутонием. Поэтому исследователи пытаются найти другие механизмы и схемы выделения этих элементов.

Одна из таких альтернатив – GANEX-процесс. Технология представляет собой двухступенчатую схему: на первом этапе из топлива селективно экстрагируют уран, а затем извлекают минорные актиниды из азотнокислого раствора ОЯТ. Залог успеха – подобрать селективные экстракционные агенты с высокой емкостью. 

Ранее ученые химического факультета МГУ предложили на роль такого экстрагента соединение на основе фенантролина – азотсодержащего полициклического соединения. Однако сейчас исследователи решили перейти от лабораторных моделей топлива (с концентрацией урана 10-7-10-3 моль/л) к технологическим (1 моль/л) и выявили новую особенность образующегося уранового комплекса: «Мы обнаружили интересный факт – подобные соединения могут «захватывать» макроколичества урана, при этом каждая единица экстрагента способна присоединять 2 единицы урана. Одна из урановых частиц располагается в катионной (положительно заряженной) части комплекса, другая – в анионной (отрицательно заряженной). На меньших концентрациях урана в модельных образцах этого не происходит, и ни одна из научных групп не наблюдала такого эффекта ранее», – поясняет автор статьи.

Ученые продолжают исследования в области комплексов схожего строения. Одна из главных задач – расширить круг соединений с высокой емкостью по урану. Кроме того, авторы работы планируют решить две задачи одновременно. С помощью полученного соединения исследователи попытаются не только селективно извлечь уран и плутоний из ОЯТ, но и разделить их.