Am(VI)の限外濾過分離

Nature volume 616、pages 482–487 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

使用済み核燃料中に存在するランタニド (Ln) からアメリシウムを分離することは、原子力エネルギーの持続可能な開発において重要な役割を果たします 1、2、3。 熱力学的に安定な Am(III) イオンと Ln(III) イオンはイオン半径と配位化学がほぼ同じであるため、この作業は非常に困難です。 Am(III) から Am(VI) への酸化により、Ln(III) イオンとは異なる AmO22+ イオンが生成され、原理的に分離を促進する可能性があります。 しかし、溶媒抽出や固体抽出などの従来の分離プロトコルに必要な放射線分解生成物や有機試薬によって Am(VI) が急速に還元されて Am(III) に戻るため、実用的な酸化還元ベースの分離が妨げられます。 今回我々は、硝酸媒体中で三価のランタニド上で六価のアクチニド（238U、237Np、242Pu、243Am）の選択的配位に適合する空孔部位を有するナノスケールのポリオキソメタレート（POM）クラスターを報告する。 私たちの知る限り、このクラスターは、これまでに観察された水性媒体中で最も安定な Am(VI) 種です。 市販の微細孔膜による水和ランタニドイオンからのナノスケール Am(VI)-POM クラスターの限外濾過ベースの分離により、有機物を一切含まない、高効率かつ迅速なワンススルーアメリシウム/ランタニド分離戦略の開発が可能になります。コンポーネントを構成し、最小限のエネルギー入力を必要とします。

アメリシウムは原子力発電の中性子捕獲副産物であり、高レベル廃棄物の長期放射性毒性の主な原因となっています。 アメリシウムを効率的に回収し、その後高速炉を使用して短寿命核種または安定核種に核変換すれば、原子力エネルギーの環境への影響は大幅に軽減されるでしょう。 ただし、中性子捕獲断面積が大きいランタニド (Ln) (157Gd など) が共存すると、核変換効率が大幅に制限されます。 この障害を克服するには、アメリシウムとランタニドの間の効率的な分離の開発が必要であり、原子力産業では数十年にわたって長年の課題となっています。 この困難は主に、アメリシウムとランタニドの両方が、ほぼ同一のイオン半径と配位化学を有する熱力学的に安定な三価陽イオンとして溶液中に存在するため、化学的挙動が類似していることに起因します。 従来の分離では、Am(III) イオンと Ln(III) イオン間の微妙な結合の違いを利用し、窒素または硫黄供与体を含む抽出剤により Ln(III)4,5 よりも Am(III) を優先的に分配することができます。 しかし、この分離戦略は、Am(III) と Ln(III) の限定的な区別によって、さらに顕著には大量の二次放射性液体廃棄物の生成によって依然として妨げられています。

この分離の課題を軽減するために提案されている方法の 1 つは、Am(III) をより高い酸化状態の Am(V) および Am(VI)6 に酸化することです。 これらのカチオンは、UO22+ や NpO2+ などの線状ジオキソ初期アクチニル イオンに匹敵する配位化学を持ち、比較的等方性の Ln(III) イオンとは明らかに対照的な異方性配位を持っています7。 これにより、原理的には、アメリシウムとランタニドの識別が向上し、分離効率が向上します。 溶媒抽出 8、9、10、11、沈殿 12、イオン交換クロマトグラフィー 13 など、酸化還元ベースのプロトコルに従ってさまざまな技術が検討されていますが、未解決の問題は、分離プロセス中に避けられない高価 Am の Am(III) への還元です。 。 Am(VI) カチオンは、AmO22+/AmO2+ および AmO22+/Am3+ 対でそれぞれ 1.6 V と 1.68 V の還元電位を持つ強力な酸化剤です (対飽和カロメル電極 (SCE))6。 したがって、Am(VI) イオンが有機抽出剤/溶媒に接触するかクロマトグラフィーカラムを通過すると、数秒以内に Am(III) 種が生成される可能性があるため、これらの分離は非現実的になります。 実際、Am(VI) と Am(V) はどちらも、核燃料サイクルに関連する 2 つの一般的なアメリシウム同位体 (241Am と243Am) はどちらもかなりの放射性物質です。