Jadrová energia – Vedci objavili novú stabilnú zlúčeninu plutónia

Autor: Marian Nanias | 5.11.2019 o 14:39 | Karma článku: 0,00 | Prečítané:  1301x

Vedci našli úplne novú zlúčeninu plutónia s neočakávaným päťmocným oxidačným stavom. Táto nová fáza plutónia je pevná a stabilná a môže byť prechodnou fázou v úložiskách rádioaktívneho odpadu.

Jadrová energia – novo objavená prekvapivo stabilná zlúčenina plutónia by mohla ovplyvniť ukladanie jadrového odpadu.

Vedci našli úplne novú zlúčeninu plutónia s neočakávaným päťmocným oxidačným stavom. Táto nová fáza plutónia je pevná a stabilná a môže byť prechodnou fázou v úložiskách rádioaktívneho odpadu.

Plutónium (Pu) hrá významnú úlohu pri výrobe elektriny z jadrovej energie, a aj keď je plutónium produkované jadrovými elektrárňami vo vyhorenom jadrovom palive (pokiaľ nie je extrahované pri prepracovaní) nakoniec  bezpečne uložené hlboko pod zemou, teoreticky stále ešte môže nakoniec uniknúť do okolitého prostredia.

Vtedy by tento odpad mohol interagovať s materiálmi v zemi vrátane ílových a minerálnych rúd a vytvárať suspendované kvapalné zmesi. História nám potvrdzuje, že sa také prípady ako dôsledky jadrových havárií, ale hlavne aj testov jadrových zbraní v minulosti stali, a skutočne aj došlo k uvoľneniu Pu a ďalších nebezpečných izotopov do životného prostredia, čo bolo potvrdené kontamináciou vôd a pôd.  

Je to samozrejme mimoriadne závažná vec, pretože to v prvom rade ohrozuje zdravie obyvateľstva, ale na základe takýchto prípadov sa tiež dokonca niekoľko krajín rozhodlo zastaviť prevádzku starších jadrových zariadení.

Krajiny na celom svete sa preto usilujú o zvýšenie bezpečnosti skladovania jadrového odpadu s cieľom zabrániť úniku rádioaktívnych nuklidov do životného prostredia.

Aby sme mohli napredovať, je nevyhnutné dôkladne poznať (a pokiaľ nám veda umožňuje aj prehĺbiť) základné vedomosti o chémii aktínoidov v environmentálne relevantných podmienkach tak, aby sme im teoreticky rozumeli a mohli ich aj prakticky využiť. Vedci preto nad tým usilovne pracujú a snažia sa pripraviť vhodné zlúčeniny, hľadajú ich charakteristiky a aj experimentálne skúšajú.

Ukázalo sa, že plutónium sa prepravuje podzemnými vodami z kontaminovaných miest na kilometre vo forme koloidov, ktoré sa tvoria interakciou s ílom, oxidmi železa alebo prírodnými organickými látkami. Tím vedcov financovaný z grantu Európskej Únie, vedený organizáciou HZDR študuje chémiu aktínoidov v podmienkach dôležitých pre životné prostredie, syntetizuje takéto zlúčeniny a potom študuje ich elektronické a štrukturálne správanie experimentálnymi, ako aj teoretickými metódami pokročilých röntgenových metód pomocou synchrotrónu.

V súčasnosti sa zdá, že vďaka zvýšeným experimentálnym možnostiam, krížovým aktivitám medzi teóriou a experimentom v kombinácii s rôznymi syntetickými prístupmi sa tento cieľ stáva pravdepodobne dosiahnuteľným.

Posledný príspevok medzinárodného tímu potvrdený aj experimentom ukazuje na objavenie novej stabilnej formy plutónia.

To by znamenalo, že vzájomné reakcie aktínoidov s materiálmi v zemi podľa tohto ich najnovšieho prekvapujúceho vedeckého objavu môže tieto účinky zmierniť.  

Náhodou totiž (vedci z Nemecka, Ruska a Švédska) objavili zlúčeninu, ktorá obsahuje chemicky stabilnú formu plutónia, ktorá doteraz ešte nikdy nebola pozorovaná!

Pri sérii pokusov o syntézu nanočastíc obsahujúcich plutónium v nemeckom stredisku Helmholtz Dresden-Rossendorf vedecký tím pod vedením Kristíny Kvašnina zistil, že zlúčenina obsahujúca prvok vo svojom piatom oxidačnom stave môže existovať po neobyčajne dlhú dobu. Tento ich objav môže poskytnúť zásadne nové informácie, ktoré by vedcom mohli pomôcť predpovedať meniace sa vlastnosti (škodlivého) jadrového odpadu v priebehu miliónov rokov.

Začalo to tým, keď sa Kristína Kvašnina, fyzička z HZDR na Európskom synchrotróne, spolu so svojim tímom snažili vytvoriť nanočastice oxidu plutónia s použitím rôznych prekurzorov, ktoré sa mali študovať. Keď použili prekurzor Pu (VI), uvedomili si, že počas tvorby nanočastíc oxidu plutónia došlo k zvláštnej reakcii. Kvašnina vysvetlila, že „Zakaždým, keď vytvárame nanočastice z ostatných prekurzorov Pu (III), (IV) alebo (V), reakcia je veľmi rýchla, ale tu sme pozorovali zvláštny jav na polceste“. Po vykonaní experimentu s detekciou fluorescencie s vysokou energetickou rozlišovacou schopnosťou (HERFD) na okraji Pu L3 v ROBL sa domnievali, že musí ísť o Pu (V), penta-valentné plutónium, doteraz ešte nikdy nepozorovanú formu prvku.

Tím chemikov z Moskovskej štátnej univerzity, ktorí spolupracovali boli skeptickí a keď sa všetci spoločne pozreli na údaje spočiatku tvrdili, že stabilná fáza Pu (V)! – nemôže existovať, že to nie je možné, a že sa syntéza asi musela pokaziť". No napriek počiatočnej úplnej nedôvere chemikov boli však výsledky nakoniec celkom jasné.

Spomínaný tím pod vedením Kristíny Kvašnina syntetizoval nanočastice oxidu plutónia (PuO2) s použitím atómov plutónia v rôznych oxidačných stavoch. Potom študovali štruktúry nanočastíc pomocou kombinácie teórie a röntgenového pozorovania v jadrovom inštitúte EU na ožiarení v synchrotrónoch vo Francúzsku.

Potvrdili sa ich očakávanie, keď zistili, že plutónium v jeho treťom, štvrtom a piatom oxidačnom stave tvorilo nanočastice veľmi rýchlo. Prekvapením však bolo, že v šiestom oxidačnom stave reakcia prebiehala v nezvyčajnom dvojkrokovom procese.

Spomínaní vedci taktiež uviedli aj dôkaz, že tvorba nanočastíc PuO2 z oxidovaného Pu (VI) v alkalických podmienkach prebieha prostredníctvom vytvárania medzi-produktovej tuhej fázy Pu (V), podobnej NH4PuO2CO3, ktorá je stabilná počas niekoľkých mesiacov.

Po prvýkrát, najmodernejšie experimenty na Pu M4 a na L3 absorpčných hranách v kombinácii s teoretickými výpočtami jednoznačne umožnili určiť oxidačný stav a lokálnu štruktúru tohto medziproduktu.

Významná zmena v našom porozumení

Vedci z toho odvodili, že medzistupeň by mohol zahŕňať zlúčeninu obsahujúcu stabilnú formu z piateho stavu. Ale takáto forma nebola doteraz nikdy ešte  experimentálne pozorovaná, a zdá sa že by teoreticky mohla zostať pevná a stabilná počas niekoľkých mesiacov. Keby sa tieto predpoklady potvrdili ako správne, znamenalo by to významnú zmenu v našom chápaní chemických vlastností jadrového odpadu!

Ra-odpady uložené navždy v bezpečí

Na potvrdenie ich predpovedí použil tím spektroskopickú techniku detekcie fluorescencie s vysokým energetickým rozlíšením na dvoch špecifických absorpčných okrajoch medziproduktu. Získané výsledky ako hrany s ostrými kresleniami absorpčných spektier zlúčenín na vlnových dĺžkach, kde absorpčné energie fotónov zodpovedajú prechodom elektrónov boli pre nich zatiaľ jediným spôsobom, ako odhaliť špecifické oxidačné stavy prvkov, ktoré obsahujú.

Vedecký tím v kombinácii s teoretickými výpočtami prvýkrát aj experimentálne potvrdil, že v zlúčenine NH4PuO2CO3 bola skutočne pozorovaná stabilná forma piateho oxidačného stavu.

Fyzici potom potvrdili stabilitu tejto zlúčeniny vysušením z kvapalnej suspenzie a časom zmerali tvar aj jej absorpčného spektra. Experimenty potvrdili pôvodný predpoklad a opakovanie o tri mesiace neskôr ukázalo dokonca dlhodobú stabilitu fázy!

Zároveň aj teoretici vo Švédsku ktorí spolupracovali na predpovediach spektrálnych charakteristík hrany Pu M4 identifikovali druh tejto novej fázy. Nakoniec sa to všetko spojilo a nová fáza Pu (V) bola potvrdená.

Kvašnina podčiarkla, že mnoho vedcov pracuje na predpovedi toho, čo sa stane s jadrovým odpadom za milión rokov. „Je to náročná úloha a zatiaľ boli k dispozícii možné iba teoretické predpovede, ale existencia tejto novej pevnej fázy Pu (V), ktorá je stabilná, sa bude musieť odteraz brať do úvahy. Určite zmení teoretickú predpovede správania plutónia v životnom prostredí na obdobie miliónov rokov“.

Vedecký článok si je možné v plnom znení prečítať tu:

http://dx.doi.org/10.1002/ange.201911637

Páčil sa Vám tento článok? Pridajte si blogera medzi obľúbených a my Vám pošleme email keď napíše ďalší článok
Pridaj k obľúbeným

Hlavné správy

Cynická obluda

Fico má stále čo oslavovať

Tento vtip vznikol v novembri 2014, keď sme oslavovali 25. rokov od revolúcie. Päť rokov prešlo a je ešte platnejší.


Už ste čítali?