Een internationaal team van wetenschappers, geleid door het Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), hebben een nieuwe verbinding van plutonium gevonden met een onverwachte, vijfwaardige oxidatietoestand, met behulp van de ESRF, de Europese Synchrotron, Grenoble, Frankrijk. Deze nieuwe fase van plutonium is solide en stabiel, en kan een voorbijgaande fase zijn in opslagplaatsen voor radioactief afval. De resultaten worden deze week gepubliceerd in Angewandte Chemie als een Very Important Paper (VIP).

Landen over de hele wereld spannen zich in om de veiligheid van de opslag van kernafval te verbeteren om het vrijkomen van radioactieve nucliden in het milieu te voorkomen. Plutonium, is aangetoond dat het kilometerslang door het grondwater wordt getransporteerd van verontreinigde locaties in de vorm van colloïden, die worden gevormd door interactie met klei, ijzeroxiden of natuurlijk organisch materiaal. Een team van wetenschappers onder leiding van HZDR bestudeert de chemie van actiniden onder milieurelevante omstandigheden, door dergelijke verbindingen te synthetiseren, en vervolgens hun elektronische en structurele gedrag te bestuderen, zowel experimenteel als theoretisch met geavanceerde synchrotron-röntgenmethoden.

Het nieuwste artikel van het internationale team laat zien hoe een schijnbaar mislukt experiment leidt tot een doorbraak:de ontdekking van een nieuwe stabiele vorm van plutonium.

Het begon allemaal toen Kristina Kvashnina, natuurkundige van HZDR en gebaseerd op de ROBL-bundellijn bij de European Synchrotron-ESRF (een bundellijn die eigendom is van en wordt beheerd door de HZDR), en haar team probeerden plutoniumdioxide-nanodeeltjes te maken met behulp van verschillende voorlopers die bij ROBL moesten worden bestudeerd. Toen ze de Pu (VI)-precursor gebruikten, ze realiseerden zich dat er een vreemde reactie plaatsvond tijdens de vorming van de plutoniumdioxide-nanodeeltjes. "Elke keer dat we nanodeeltjes maken van de andere voorlopers Pu(III), (IV) of (V) de reactie is erg snel, maar hier zagen we halverwege een raar fenomeen, " legt Kvashnina uit. Ze dacht dat het Pu (V) moest zijn, vijfwaardig plutonium, een nooit eerder waargenomen vorm van het element, na het doen van een fluorescentiedetectie-experiment met hoge energie (HERFD) aan de Pu L3-rand bij ROBL.

"Een stabiele fase van Pu(V)! - nee, het is onmogelijk, het bestaat niet, de synthese moet fout zijn gegaan, " zei het team van chemici, van de Staatsuniversiteit van Moskou toen ze naar de gegevens keken. "Chemici waren in volledig ongeloof, maar de resultaten waren vrij duidelijk, " voegt Kvashnina toe.

De enige manier om zeker te zijn van het bestaan ​​van deze vijfwaardige verbinding zou zijn om het te bevestigen met HERFD aan de Pu M4-rand. Kvashnina legt uit:"Onze keuze voor de bundellijn was eenvoudig:de ESRF-ID26 bundellijn, omdat het de beste plaats is, met betrekking tot de intensiteit en energieresolutie, waar dergelijke röntgenabsorptiespectroscopiestudies met hoge energieresolutie bij lage energieën kunnen worden gedaan. In feite werd het Pu M4-edge HERFD-experiment voor het eerst uitgevoerd op ID26. Voor zover wij weten, HERFD-gegevens aan de Pu M4-rand zijn nooit in de literatuur vermeld en zijn nooit uitgebuit."

De experimenten bevestigden de aanvankelijke veronderstelling, en een herhaling drie maanden later toonde zelfs de stabiliteit van de fase op lange termijn aan. Tegelijkertijd, theoretici in Zweden waren bezig met het bedenken van voorspellingen van de Pu M4 edge spectrale kenmerken, en theoretici van ROBL identificeerden de soort van die nieuwe fase. Uiteindelijk kwam het allemaal samen en werd de nieuwe Pu (V) fase bevestigd.

Veel wetenschappers werken aan voorspellingen van wat er over een miljoen jaar met kernafval gebeurt. "Het is een moeilijke taak en alleen theoretische voorspellingen zijn mogelijk, maar het bestaan ​​van deze nieuwe vaste fase van Pu(V), die stabiel is, zal voortaan rekening moeten worden gehouden. Het zal veranderen, zeker, de theoretische voorspellingen van plutoniumgedrag in het milieu over een periode van miljoenen jaren, " concludeert Kvashnina.