Nadat gebruikte splijtstof uit een reactor is verwijderd, het straalt tientallen jaren warmte uit en blijft duizenden jaren radioactief. De gebruikte brandstof is een mengsel van belangrijke actiniden (uranium, plutonium), splijtingsproducten (voornamelijk diverse metalen, inclusief lanthaniden) en minder belangrijke actiniden (d.w.z. americium, curium en neptunium). Nadat de splijtingsproducten cesium-137 en strontium-90 in een paar honderd jaar vervallen, de minder belangrijke actiniden en plutonium genereren de meeste warmte en radioactiviteit. Verwijdering van de minder belangrijke actiniden, vooral americium, kan producenten van kernenergie helpen de afvalstroom te verminderen en beter te beheren.

Een team van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft een selectieve moleculaire val ontworpen en gesynthetiseerd die het kleine actinide-element americium kan scheiden van een mengsel van americium en de lanthanide-elementen. met behulp van europium als model lanthanide in experimenten. Terwijl teruggewonnen americium zou kunnen worden verbrand in kernreactoren, lanthaniden zijn "neutronenvergiften" en moeten worden weggegooid in een geologische opslagplaats om te vervallen.

"Het scheiden van americium is een hele uitdaging, aangezien actiniden en splijtingsproducten, specifiek lanthaniden, hebben zeer vergelijkbare eigenschappen, " zei ORNL organisch chemicus Santa Jansone-Popova, hoofdauteur van de studie, die werd gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society Anorganische scheikunde . "We zijn deze uitdaging aangegaan - het onderwerp van intensieve inspanningen in de wetenschappelijke gemeenschap - met een innovatie die de efficiëntie van de extractie van americium drastisch verbetert."

"Nucleaire energie, om een ​​staat van duurzaamheid te bereiken, zal vereisen dat gebruikte splijtstof wordt gerecycled, " zei Bruce Moyer, leider van ORNL's Chemical Seperations Group en senior auteur van de paper. Deze prestatie zou de scheiding van minder belangrijke actiniden vereisen. Het ORNL-onderzoek identificeert een inventieve methode om ze selectief en efficiënt te scheiden. Verbeterde scheidingen zouden een gesloten optie voor het recyclen van nucleaire brandstof mogelijk maken - een verleidelijk vooruitzicht aangezien de Verenigde Staten slechts 1 procent van de potentiële kernenergie van het uranium gebruiken dat ze ontginnen en momenteel geen nucleaire brandstof recyclen.

Het ontwerpen en synthetiseren van een organische verbinding om americium sterk te binden in de aanwezigheid van europium vereiste teamwork dat kenmerkend is voor een nationaal laboratorium. Medewerkers waren onder meer theoretici Alexander Ivanov en Vyacheslav Bryantsev; organisch chemici Jansone-Popova, Ilja Popovs en Madeline Dekarske; structurele kenmerken scheikundige Radu Custelcean; en scheidingschemici Frederick Sloop en Moyer.

Een chemische verbinding (een ligand genoemd) kan een metaalatoom binden. Voor een hoge selectiviteit bij het binden, het metaal en het ligand moeten op één lijn liggen, omdat een sleutel een bepaalde oriëntatie moet aannemen voordat hij in een slot kan. in 2015, Bryantsev en Ben Hay van ORNL veronderstelden en demonstreerden computationeel dat zeer rigide liganden die vier elektronendonerende atomen bevatten, ideaal zouden zijn voor het sequestreren van actinide-atomen die driewaardig zijn (met een netto positieve lading van drie).

Toen de ORNL-chemici dit idee experimenteel wilden testen, ze stuitten meteen op een groot probleem. Dergelijke liganden waren nooit in de wetenschappelijke literatuur vermeld; ze zouden helemaal opnieuw moeten worden ontworpen en gesynthetiseerd.

Moyer stelde voor om een ​​ligand te maken dat verzadigd was (d.w.z. bevat enkele bindingen) en voorgeorganiseerd (positioneert atomen optimaal voor het binden van een metaal). Op theorie gebaseerde berekeningen van Bryantsev en Ivanov bevestigden dat dit voorgeorganiseerde ligand americium zou scheiden van een mengsel van americium en europium.

Het team wendde zich tot Jansone-Popova, een expert in totale syntheses van complexe moleculen, om een ​​nieuwe familie van liganden te genereren. Popovs hielp bij het identificeren van de beste syntheseroutes, en Dekarske, een stagiaire van Agnes Scott College, uitgangsmateriaal gemaakt. Custelcean loste de kristalstructuren van eindproducten op.

Jansone-Popova creëerde de verzadigde vorm van het voorgeorganiseerde ligand - een cyclisch amide dat een stikstofatoom en een koolstof dubbel gebonden aan zuurstof bevat. Daarna introduceerde ze een dubbele binding in dat amideringsysteem om een ​​onverzadigde cyclische vorm te creëren. In een ligand dat niet voorgeorganiseerd is, chemische groepen die pyridinen worden genoemd, staan ​​van elkaar af. De introductie van een stikstofbase preorganiseert het systeem zodat de pyridinen in dezelfde richting wijzen.

De resulterende tetradentate ("viertandige") liganden bevatten atomen die sterk worden aangetrokken door positief geladen ionen en elektronen afstaan. De ontworpen liganden bevatten twee stikstof- en twee zuurstofatomen die coördineren met het americiummetaal.

In het laboratorium voor radiochemie, experimenten toonden aan dat zowel verzadigde als onverzadigde liganden sterk binden aan americium en europium. Echter, alleen het onverzadigde ligand was indrukwekkend selectief voor americium.

Uit berekeningen bleek dat de stijfheid van het ligand cruciaal is voor de selectiviteit.

De titel van het artikel is "Bis-lactam-1, 10-fenantroline (BLphen), een nieuw type voorgeorganiseerde gemengde N, O-donorligand dat Am(III) scheidt van Eu(III) met een uitzonderlijk hoog rendement."