Химики МГУ научились извлекать больше урана из отработавшего ядерного топлива

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 и грантом РНФ, 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, которые 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.