КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-73-20083

НазваниеВзаимодействие плутония с минералами и природным органическим веществом: от физико-химических форм к термодинамическому моделированию

РуководительРоманчук Анна Юрьевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Годы выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2024 

КонкурсКонкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Объект инфраструктуры Курчатовский источник синхротронного излучения

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-204 - Радиохимия

Ключевые словаплутоний, церий, уран, нептуний, оксилительно-восстановительные реакции, наночастицы, растворимость, термодинамическое описание

Код ГРНТИ31.15.23


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В течение XX века деятельность в области разработки и испытаний ядерного оружия, а также мирного использования ядерной энергии привели к массовому поступлению техногенных радионуклидов, в том числе плутония, в окружающую среду. В настоящее время многие страны разрабатывают программы по реабилитации ранее загрязненных территорий, для чего необходима информация о путях миграции радионуклидов в окружающей среде. В то же время данные о физико-химических формах радионуклидов необходимы для долгосрочной оценки безопасности также проектируемых геологических хранилищ радиоактивных отходов и отработанного ядерного топлива. Миграционное поведение радионуклидов, их биодоступность и, соответственно, потенциальная опасность для человека контролируются физико-химическими в условиях окружающей среды, где реакции с природными компонентами (неорганические минералы и природные органические вещества) имеют первостепенное значение. Плутоний является одним из основных элементов, химическое поведение которого остается плохо прогнозируемым ввиду сложностей его химических свойств. Отсутствие единой термодинамической модели, описывающей поведение плутония, ограничивает успешное прогнозирование его миграции в окружающей среде. Поэтому общая цель данного проекта в достижение понимания и термодинамическом описания взаимодействия плутония с минералами и природными органическим веществами. Одним из уникальных свойств плутония является его способность присутствия в 4 различных степенях окисления (Pu(III), Pu(IV), Pu(V) и Pu(VI)) и легкость перехода между ними. Предыдущие эксперименты показали протекании окислительно-восстановительных реакций и реакций образования наночастиц диоксида плутония при взаимодействии с природными системами. Поэтому для термодинамического описания необходим учет одновременно реакций хемосорбции, окислительно-восстановительных реакций и реакций образования наночастиц диоксида плутония. В рамках данного проекта мы планируем исследовать реакции плутония и элементов-аналогов, объединив лабораторные эксперименты, характеризацию физико-химических форм с использование спектроскопических и микроскопических методов и термодинамическое моделирование. Использование источника синхротронного излучения позволяет проводить характеризацию объектов уникальным методом спектроскопии рентгеновского поглощения, что дает возможность получить информацию о степени окисления и локальной структуре как плутония, так и элементов-аналогов. Использование элементов-аналогов, таких как церий, уран и нептуний позволит, с одной стороны, упростить исследуемые системы, так как для них не характерно такое большое количество возможных степеней окисления. С другой стороны, термодинамическое моделирование реакций Ce, U, Np наряду с плутонием позволить создать действительно универсальный подход к описанию исследуемых процессов.

Ожидаемые результаты
Полученные результаты позволят прогнозировать долгосрочное поведение плутония в широком диапазоне условий окружающей среды. Цель будет достигнута путем исследования закономерностей взаимодействия плутония и его аналогов, таких как церий, уран и нептуний, с основными минералами и природными органическими веществами на молекулярном уровне с последующим численным описанием. Эта междисциплинарная задача, которая объединяет классические сорбционные эксперименты с определением физико-химических форм с использованием передовых микроскопических и спектроскопических методов на основе синхротронного излучения. На основании такой всесторонней характеризации методами химической термодинамики будет разработана универсальная модель взаимодействии Pu. Полученные данные окажут значительное влияние в различных областях науки и техники. Данные о поведении Pu в условиях окружающей среды важны для долгосрочного прогнозирования его миграции, что, в свою очередь, важно при реабилитации загрязненных территорий и разработке безопасных методов захоронения радиоактивных отходов. Это в свою очередь важно как для экономической обусловленности ядерной энергетики, так и экологической безопасности человека. При этом будут получены фундаментальные закономерности, вносящий свой вклад в понимании химических свойств актинидов и лантанидов. Уникальное сочетание опыта различных членов коллектива в области химии плутония, характеризации физик-химических форм современными синхротронными методами, термодинамического и геомиграционного моделирования даст результаты, которые могут быть использованы в дальнейшем в различных областях химии, геологии и физики.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В первом году выполнения проекта были исследованы окислительно-восстановительные реакции в системах церий-минерал. Было установлено, что при сорбции Ce(III) на гетите (a-FeOOH) и диоксиде титана (анатаз, рутил) не происходит изменения степени окисления сорбата. Зависимость сорбции от рН имеет типичную S-образную форму, а подвижное равновесие в системах устанавливается в течение одного дня. Однако, в случае взаимодействия Ce(III) с бернесситом (d-MnO2) наблюдается другое поведение церия. Сорбция растет при длительном выдерживании, особенно в области низких значения рН. С помощью спектроскопии рентгеновского поглощения было доказано, что в данной системе церий окисляется до Ce(IV) на поверхности, при этом наблюдается частичное восстановление Mn(IV). В случае Pu(III) во всех аналогичных церию системах (гетит, диоксид титана, бернессит) протекают окислительно-восстановительные реакции. Об этом свидетельствуют и сорбционные данные (медленная кинетика сорбции, отличие от аналогичных данных для церия) и спектры рентгеновского поглощения. В случае систем Pu(III)/гетит и Pu(III)/бернессит равновесная форма плутония одинаковая: Pu(IV) стабилизируется на поверхности и, вероятно, Pu(V) в растворе. Были начаты исследования кинетики сорбции Pu(VI,V) на различных минералах (гетит, гематит, диоксиды титана, смектит). Было показано, что множество факторов может влиять как на кинетику, так и на маршрут реакций, в том числе условия освещенности, морфология частиц, концентрация твёрдой фазы. Для более детального объяснения полученных результатов необходимы дальнейшие исследования, в том числе с использованием спектроскопических методов. Были проведены работы по синтезу наночастиц диоксида плутония различных размеров. В течение последнего десятилетия не прекращались дискуссии об интерпретации результатов EXAFS для таких объектов. В рамках данного проекта, были получены новые экспериментальные данные для наночастиц PuO2 и CeO2 с различными размерами и сопоставлены с опубликованными в литературе результатами. Была предложенная модель ядро-оболочка для наночастиц, которая позволяет рассчитывать эффективное координационное число оболочки Me-Me, которое идеально согласуется с результатами EXAFS и может быть в дальнейшем использована как для плутония, так и для других актинидов. С применением гидротермальных методов были синтезированы наночастицы диоксида плутония более крупного размера. Данные образцы были охарактеризованы методами рентгеновской дифракции и спектроскопии рентгеновского поглощения.

 

Публикации

1. А. Романчук, А. Тригуб, Т. Плахова, А. Кузенкова, Р. Светогоров, К. Квашнина, С. Калмыков Effective coordination numbers from EXAFS: General approaches for lanthanide and actinide dioxides Journal of Synchrotron Radiation, - (год публикации - 2021).