用于回收核废料的配体

Posted by SC CHEN on July 7, 2016

针对核废料的处理一直是核能推进的巨大阻碍。因为80%的锕系元素,包括铀(U)和钚(Pu),在核燃料用完之后仍然存在,并且与和裂变产生的镧系元素混在一起。最近,研究者报道了一类可以有效结合锕系金属的配体,即使在强酸性和放射性的环境中也能将之从镧系元素中分离出来。使用这类配体回收具有放射性的锕系元素,不仅可以使核废料无害化,同时也能节约放射元素的用量。

帕尔马大学(University of Parma)化学家Alessandro Casnati认为,在铀和钚核裂变的过程中会产生多种元素,包括镧系元素铕(Eu)和钕(Nd)。这些镧系元素会毒化核燃料,使之不能安全的提供能量。

从镧系元素中分离锕系元素的设想早在几十年前就已经提出,但是其实现的过程却无比艰难。当设计的配体和锕系金属配位时,“总是会发生一些方面的‘此消彼长(trade-off)’,包括结合的能力、选择性、稳定性等等”,卡尔斯鲁厄理工学院的核化学家Andreas Geist说道,“每当我们在一个方向上有所进展,另一个方面就会相应的变得不如人意。”

挑战源于多个方面。锕系元素和镧系元素性质非常相似:它们具有相近的离子半径,并且都存在+3的氧化态,使得配体通常难以分辨。另一方面,配体必须在强酸和高辐射的工业操作环境下稳定,同时也只能含有可燃性的元素——碳、氮、氧和氢——当其无法继续投入使用时,可以轻易地烧尽。

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放射性的锕系元素具有多种价态,f轨道上的电子跃迁是丰富的颜色的来源之一

米兰理工大学(Polytechnic University of Milan)的Alessandro Casnati、Elena Macerata和同事使用了之前报道的具有镧系和锕系元素选择性的氮基配体。为了使配位更有效,研究人员在配体的设计上引入了芳环,用以提高其稳定性。

研究队伍随后利用从核废料样品中萃取出的镧系和锕系金属的有机溶液,测试了这些配体分子的结合能力。他们将有机相的萃取溶液和每种配体的水溶液混合震荡,五分钟后水溶液中的配体分配了95%的锕系元素。虽然其他的配体可能具有更高的选择性,但是该类配体的稳定性可以在强酸性和200kGy的辐射量下依然保持,后者相当于正常用尽的核燃料辐射的2000倍。

该领域下每一种配体的设计都是一种折中(compromise),Geist说道,但是这类新型的配体将折中发展为一种有价值的权衡(promising compromise),这是第一类满足所有要求的配体。

下一步的挑战就是为这类配体找到可以放大的合成路线,并在更恶劣的环境——更长时间、更大辐射下测试它们的稳定性,Casnati说道。