Коллаборация сотрудников химического факультета МГУ, Курчатовского института, Институту органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, РУДН и Сеченовского университета создала органическое соединение, помогающее эффективнее разделять и перерабатывать компоненты отработавшего 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 отработавшем ядерном топливе (ОЯТ) накапливается множество различных изотопов элементов. В России принята концепция замкнутого ядерного топливного цикла: отработавшее 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, учёные планируют повысить растворимость макроциклов за счёт синтетических модификаций, что расширит область применения этого класса соединений.

Источник: МГУ.