«Невозможно!» Химики сказали — но они обнаружили новую стабильную форму плутония

Международная группа ученых, возглавляемая Центром Гельмгольца Дрездена-Россендорфа (HZDR), обнаружила новое соединение плутония с неожиданным, пятивалентным состоянием окисления, используя ESRF, Европейский синхротрон, Гренобль, Франция. Эта новая фаза плутония является твердой и стабильной и может представлять собой переходную фазу в хранилищах радиоактивных отходов. Результаты исследования были опубликованы 17 октября 2019 года в журнале «Химия Анжевандте» как очень важный документ (VIP).

Представление наночастицы диоксида плутония на фоне периодической таблицы. Фото: Kristina Kvashnina

Страны по всему миру прилагают усилия для повышения безопасности хранения ядерных отходов в целях предотвращения выбросов радиоактивных нуклидов в окружающую среду. Было доказано, что плутоний транспортируется подземными водами из загрязненных участков на километры в виде коллоидов, которые образуются в результате взаимодействия с глиной, оксидами железа или природным органическим веществом. Группа ученых, возглавляемая HZDR, изучает химию актинидов в экологически значимых условиях, синтезируя такие соединения, а затем изучая их электронное и структурное поведение с помощью современных методов синхротронного рентгеновского излучения как экспериментально, так и теоретически.

Последняя статья международной команды показывает, как эксперимент, казалось бы, провалился, приводит к прорыву: открытию новой стабильной формы плутония.

Кристина Квашнина ESRF Кристина Квашнина

Все началось с того, что Кристина Квашнина, физик из ГДРЧ и работающая на базе ROBL-луча на европейском синхротроне — ESRF (луч, принадлежащий ГДРЧ и управляемый им), и ее команда пытались создать наночастицы диоксида плутония, используя различные прекурсоры для изучения на ГРЧС. Используя прекурсор Pu (VI), они поняли, что произошла странная реакция при образовании наночастиц диоксида плутония. «Каждый раз, когда мы создаем наночастицы из других предшественников Pu(III), (IV) или (V), реакция происходит очень быстро, но здесь мы наблюдали странное явление на полпути», — объясняет Квашнина. Она решила, что это должен быть Pu (V), пятивалентный плутоний, никогда ранее не наблюдавшийся вид элемента, после проведения эксперимента с высоким разрешением флуоресценции (HERFD) на краю Pu L3 при ROBL.

Стабильная фаза Pu(V)! — Нет, это невозможно, его не существует, наверное, синтез пошёл не так», — сказала тогда команда химиков из МГУ, когда они все вместе смотрели на данные. «Химики были в полном недоверии, но результаты были вполне ясны», — добавляет Квашнина.

Новая стабильная форма обнаруженного плутония

На пути от водных наночастиц Pu(VI) до наночастиц PuO2 было обнаружено новое пятивалентное образование твердой фазы плутония (Pu) путем применения метода флуоресцентного обнаружения с высоким разрешением по краям Pu M4 и L3 и расчета электронной структуры.

Kristina Kvashnina

Единственный способ удостовериться в существовании этого пятивалентного соединения — подтвердить его с помощью HERFD на краю Pu M4. Квашнина объясняет: «Наш выбор пучка света был простым: ESRF-ID26 лучшее место для исследования интенсивности и энергетического разрешения, где можно проводить такие высокоэнергетические рентгеновские спектроскопические исследования поглощения излучения при низких энергиях, поскольку это лучшее место. Фактически, эксперимент Pu M4 с HERFD краем проводился в ID26 впервые. Насколько нам известно, данные НИОКРВИОКР на границе Pu M4 никогда не публиковались в литературе и никогда не использовались».

Эксперименты подтвердили первоначальное предположение, а повторение три месяца спустя даже показало долгосрочную стабильность фазы. В то же время шведские теоретики были заняты прогнозированием спектральных особенностей края Pu M4, а теоретики из ROBL — выявлением видов, относящихся к этому новому этапу. В конце концов, все это было сведено воедино, и была подтверждена новая фаза Pu (V).

Многие ученые работают над прогнозированием того, что произойдет с ядерными отходами через миллион лет. Это сложная задача, и только теоретические прогнозы возможны, но существование этой стабильной твердой фазы Pu(V), которая должна быть принята во внимание в будущем». Это, безусловно, изменит теоретические прогнозы поведения плутония в окружающей среде на миллион лет», — заключает Квашнина.

Reference: “A novel meta‐stable pentavalent plutonium solid phase on the pathway from aqueous Pu(VI) to PuO2 nanoparticles” by Kristina Kvashnina, Anna Romanchuk, Ivan Pidchenko, Lucia Amidani, Evgeny Gerber, Alexander Trigub, Andre Rossberg, Stephan Weiss, Karin Popa, Olaf Walter, Roberto Caciuffo, Andreas Scheinost, Sergei Butorin and Stepan Kalmykov, 17 October 2019, Angewandte Chemie.

Источник