Ekstremt effektiv udvinding kan forbedre styringen af ​​atombrændstof

Efter brugt brugt brændstof er fjernet fra en reaktor, den udsender varme i årtier og forbliver radioaktiv i tusinder af år. Det brugte brændstof er en blanding af større aktinider (uran, plutonium), fissionsprodukter (hovedsageligt diverse metaller, herunder lanthanider) og mindre aktinider (dvs. americium, curium og neptunium). Efter at fæsionsprodukterne cæsium-137 og strontium-90 henfaldt i et par hundrede år, de mindre aktinider og plutonium genererer mest varme og radioaktivitet. Fjernelse af de mindre aktinider, især americium, kan hjælpe atomkraftproducenter med at reducere og bedre styre affaldsstrømmen.

Et team ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har designet og syntetiseret en selektiv molekylær fælde, der kan adskille det mindre aktinidelement americium fra en blanding af americium og lanthanidelementerne, ved hjælp af europium som model lanthanid i forsøg. Mens genvundet americium kunne brændes i atomreaktorer, lanthanider er "neutrongifte" og skal bortskaffes i et geologisk depot for at forfalde.

"At adskille americium er meget udfordrende, da actinider og fissionsprodukter, specifikt lanthanider, har meget lignende egenskaber, "sagde ORNL organisk kemiker Santa Jansone-Popova, hovedforfatter af undersøgelsen, som blev offentliggjort i American Chemical Society journal Uorganisk kemi . "Vi har mødt denne udfordring - genstand for intensiv indsats i det videnskabelige samfund - med en innovation, der dramatisk forbedrer effektiviteten af ​​americiums ekstraktion."

"Atomenergi, at nå en tilstand af bæredygtighed, vil kræve, at brugt atombrændstof genbruges, "sagde Bruce Moyer, leder af ORNL's Chemical Separations Group og papirets seniorforfatter. Denne bedrift ville kræve adskillelse af mindre aktinider. ORNL -forskningen identificerer en opfindsom metode til selektivt og effektivt at adskille dem. Forbedrede adskillelser ville muliggøre en lukket genanvendelse af atombrændstof - en fristende udsigt i betragtning af, at USA kun bruger 1 procent af den potentielle atomkraft fra det uran, det udvinder og i øjeblikket ikke genbruger atombrændstof.

Design og syntetisering af en organisk forbindelse til stærkt at binde americium i nærværelse af europium krævet teamwork, der er karakteristisk for et nationalt laboratorium. Samarbejdspartnere omfattede teoretikere Alexander Ivanov og Vyacheslav Bryantsev; organiske kemikere Jansone-Popova, Ilja Popovs og Madeline Dekarske; strukturelle karakteriseringer kemiker Radu Custelcean; og adskillelser kemikere Frederick Sloop og Moyer.

En kemisk forbindelse (kaldet en ligand) kan binde et metalatom. For høj selektivitet i binding, metal og ligand skal flugte, som en nøgle skal antage en bestemt retning, før den kan gå ind i en lås. I 2015, ORNLs Bryantsev og Ben Hay antog og demonstrerede beregningsmæssigt, at meget stive ligander indeholdende fire elektrondonerende atomer ville være ideelle til at spærre aktinidatomer, der er treværdige (har en netto positiv ladning på tre).

Da ORNL -kemikerne satte sig for at teste denne idé eksperimentelt, de stødte straks på et betydeligt problem. Sådanne ligander var aldrig blevet rapporteret i den videnskabelige litteratur; de skulle være designet og syntetiseret fra bunden.

Moyer foreslog at oprette en ligand, der var mættet (dvs. indeholder enkeltbindinger) og præorganiseret (placerer atomer optimalt til binding af et metal). Teoribaserede beregninger af Bryantsev og Ivanov bekræftede, at denne præorganiserede ligand ville adskille americium fra en blanding af americium og europium.

Holdet henvendte sig til Jansone-Popova, en ekspert i samlede synteser af komplekse molekyler, at generere en ny familie af ligander. Popovs hjalp med at identificere de bedste synteseruter, og Dekarske, praktikant fra Agnes Scott College, lavet udgangsmaterialer. Custelcean løste krystalstrukturer i slutprodukter.

Jansone-Popova skabte den mættede form af den præorganiserede ligand-et cyklisk amid indeholdende et nitrogenatom og et carbon dobbeltbundet til ilt. Derefter introducerede hun en dobbeltbinding i det amidringsystem for at skabe en umættet cyklisk form. I en ligand, der ikke er præorganiseret, kemiske grupper kaldet pyridiner vender væk fra hinanden. Introduktion af en nitrogenbase fororganiserer systemet, så pyridiner vender i samme retning.

De resulterende tetradentat ("firetandet") ligander indeholdt atomer, der er stærkt tiltrukket af positivt ladede ioner og donerer elektroner. De designet ligander har to nitrogen- og to iltatomer, der koordinerer med americiummetallet.

I radiokemilaboratoriet, forsøg viste både mættede og umættede ligander stærkt binde americium og europium. Imidlertid, kun den umættede ligand var imponerende selektiv for americium.

Beregninger afslørede, at ligandens stivhed er afgørende for selektivitet.

Papirets titel er "Bis-lactam-1, 10-phenanthrolin (BLPhen), en ny type præorganiseret blandet N, O-Donor Ligand, der adskiller Am (III) over Eu (III) med usædvanlig høj effektivitet. "