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 21-73-20138

НазваниеФундаментальные основы экстракционного извлечения лантанидов и актинидов при переработке отработанного ядерного топлива новыми гибридными N,O-реагентами: применение синхротронных методов и технологий исследования материалов

РуководительБорисова Наталия Евгеньевна, Доктор 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 словаобращение с радиоактивными отходами; европий; америций; кюрий;N-донорные гетероциклические экстрагенты; амиды; фосфин оксиды

Код ГРНТИ31.15.23


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на решение актуальной научной задачи при разработке замкнутого ядерного топливного цикла (ЯТЦ) атомной энергетики – селективное выделение и фракционирование актиноидов (урана, плутония, нептуния, америция, кюрия и тория, перспективного для развития ториевой атомной энергетики) из отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и высокоактивных отходов. Для создания эффективных экстракционных систем необходимо глубокое понимание механизмов экстракционных процессов и знание структур возникающих в экстракционной системе комплексов металлов. Данный проект направлен на установление структур комплексов ионов актинидов и других элементов (конструкционных металлов, солеобразующих элементов и компонентов ОЯТ) в твердом состоянии, растворе, а также на границе раздела органической и водной фаз с использованием современного арсенала синхротронных рентгеноспектральных методов исследования кристаллических образцов, растворов с металлоорганическими комплексами и молекулярных пленок на поверхности жидкости. Полученная информация создаст понимание механизмов комплексообразования в экстракционных средах и позволит лучше управлять селективностью и эффективностью экстракционных процессов при глубоком фракционировании ОЯТ. Предполагается провести детальное исследование механизмов комплекссообразования ионов актиноидов с гибридными N,O- и N,S-донорными реагентами различной природы в различный средах, прежде всего в промышленно приемлемых разбавителях: керосин, Ф-3, октанол. В рамках выполнения проекта будут впервые исследованы структуры комплексов фосфиноксидных, фосфинсульфидных, амидных и тиоамидных гетероциклических и алициклических экстрагентов, обладающих селективностью по отношению к минорным актинидам. Проект является междисциплинарным фундаментальным исследованием на стыке радиохимии, координационной и коллоидной химии, включает использование широкого спектра современных физико-химических методов установления строения вещества в конденсированном состоянии и на границах раздела фаз, включая: -экстракционный и химический синтез комплексов f-элементов и переходных металловcфосфиноксидными, фосфинсульфидными, амидными и тиоамидными гетероциклических и алициклических экстрагентами и исследование их строения физико-химическими методами; - установление строения комплексов с помощью рентгеноструктурного анализа и EXAFS; -определение степени окисления урана в его комплексах с новыми экстрагентами с помощью XANES - исследование строения приповерхностных слоев жидкости на границе раздела фаз вода-органика для серии наиболее перспективных и экстракционных систем в промышленно привлекательных разбавителях. В результате выполнения проекта впервые будут установлены механизмы извлечения ионов металлов в органические разбавители гибридными экстрагентами и исследованы структуры образующихся комплексов, что позволит управлять их селективностью в широких пределах, и создать экстракционные системы для глубокого фракционирования растворов ОЯТ.

Ожидаемые результаты
1. Впервые будут разработаны и детально исследованы методы синтеза большого набора гетероциклических серосодержащих реагентов (на основе N-донорных гетероциклов: пиридинов, бипиридилов и фенантролинов). Будут разработаны методы синтеза серии новых гетероциклических производных, содержащих жесткие и мягкие донорные атомы. 2. Впервые будет проведен масштабных скрининг экстракционных свойств гетероциклических серосодержащих производных по отношению к радиоактивным и стабильным компонентам отработанного ядреного топлива (ОЯТ) и высокорадиоактивных отходов (ВАО), что позволит заложить основы создания новых типов процессов группового и индивидуального выделения актинидов. 3. Впервые будет проведено исследование возможных механизмов экстракционного извлечения металлов из растворов с использованием современных физико-химических методов, включая EXAFS/XANES, что углубит наше понимание фундаментальных процессов происходящих при экстракционном извлечении металлов гибридными гетероциклическими экстрагентами. 4. Впервые будет изучено строение поверхностных слоев вблизи границы раздела фаз для экстракционных систем, сожадржащих тяжелые металлы и f-элементы. Планируемые результаты позволят исследовать перспективную область радиохимии – влияние строения экстрагента на селективность и эффективность извлечения ионов металлов, что имеет важное фундаментальное значение. Кроме того, в качестве практического результата от реализации проекта ожидается получение новых экстрагентов для разделения пар Eu(III)/Am(III)/Cm(III) с технологически приемлемыми характеристиками, что является важным шагом на пути сокращения или полного исключения образования ВАО, и, как следствие, улучшения экологии в местах проживания людей. Также в результате выполнения проекта предполагается создание фундаментальных основ новых технологий группового и индивидуального выделения актинидов из ОЯТ реакторов, в том числе и новейших реакторов на быстрых нейтронах.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках проекта № 21-73-20138 «Фундаментальные основы экстракционного извлечения лантанидов и актинидов при переработке отработанного ядерного топлива новыми гибридными N,O-реагентами: применение синхротронных методов и технологий исследования материалов» в 2021 году были разработаны новые методы синтеза дифосфиноилированных гетероциклов, содержащих объемные разветвленные заместители в фосфиноксидном фрагменте, путем палладий-катализируемого кросс-сочетания дигалогенгетероциклов с соответствующими фосфорными производными. Разработан простой и легко масштабируемый метод получения водорастворимых фосфиноксидов по реакции N-оксидов гетероциклов с низшими триалкилфосфитами. Синтезирован и исследован ряд новых комплексов f-элементов с N,O-гибридными донорными экстрагентами на основе диамидов бипиридиндикарбоновой кислоты и дифосфиноилбипиридила и фенантролина, определены их структуры методом РСА. Впервые синтезированы и исследованы методом РСА, ЯМР и масс-спектрометрии комплексы дифосфиноилпиридинов, бипиридилов, фенантролина и диазафлуорена. Синтезированы и исследованы методом РСА и EXAFS комплексы диамидов на основе пиридина и бипиридила с ионами лантаноидов и урана. Проведено исследование строения комплексов пиридинфосфиноксидов и бипиридиндикарбоксамидов, имеющих высокие экстракционные характеристики, с ионами f-элементов в растворе и в порошках с использованием классических физико-химических методов, а также такой класс комплексов был впервые исследован методом рентгеновской спектроскопии поглощения (EXAFS). Подобран эволюционный алгоритм расчета структуры по данным EXAFS, позволяющий расшифровать структуры комплексов, для которых нет данных РСА на основе родственных структур для комплексов, чья структура известна. Методами 1Н ЯМР и EXAFS впервые показано, что при извлечении ионов европия в органическую фазу, строение комплекса отвечает синтезированному независимо моноядерному комплексу, строение которого определено методом РСА. На примере исследования экстракционной системы 0.1М бис(4-гексилфенил)диэтиламида 2,2-бипиридил-6,6-дикарбоновой кислоты в нитробензоле/0.4М нитрат европия в 0.5М азотной кислоте разработана методика ЯМР-спектрального исследования экстракционных систем in situ. Исследованы экстракционные характеристики серии новых 2,6-дифосфиноилпиридинов, содержащих разветвленные заместители в фосфиноксидном фрагменте. Впервые изучена кинетика реакций комплексообразования различных 2,6-дифосфиноилпиридинов с ионами f-элементов. Впервые определены порядок и константа скорости реакции спектрофотометрическим методом. Экстракционным методом исследована кинетика извлечения ионов металлов в ячейке Льюиса и показано, что скорость экстракции максимальна для наиболее разветвленных алкильных производных и минимальна для линейных алкилзамещенных производных. Такая зависимость скорости экстракции от строения реагента получена впервые. Этот результат является контр-интуитивным и требует дополнительных исследований для объяснения такой зависимости. Исследовано поведение реагентов на границах раздела фаз вода(азотная кислот раствор металла в азотной кислоте)/органическая фаза. Определены оптимальные условия формирования мономолекулярного слоя на границе раздела фаз экстрагент/вода (азотная кислота, раствор нитрата европия в азотной кислоте), что необходимо для проведения исследования распределения ионов металлов перпендикулярно границе раздела фаз синхротронными методами. По результатам работы опубликована одна статья и отправлены в печать еще две статьи. Также результаты работы были представлены на трех международных и всероссийских конференциях.

 

Публикации

1. Борисова Н.Е., Иванов А.В., Матвеев П.И. РАЗДЕЛЕНИЕ ИОНОВ F-ЭЛЕМЕНТОВ: СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ СЕЛЕКТИВНОГО КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ Сборник тезисов XXVIII Международной Чугаевской конференции по Координационной химии, С. 241 (год публикации - 2021).

2. Петухова А.А., Борисова Н.Е., Сумянова Ц.Б. Исследование реакций комплексообразования между гетероциклическими фосфиноксидами и нитратами лантаноидов Сборник тезисов V Молодежнjq школs-конференциb «Физико-химические методы в химии координационных соединений», C. 198 (год публикации - 2021).

3. Харчева А.В., Купаева А.Н., Борисова Н.Е., Пасаева С.В. 3D-spectra and luminescence lifetime of uranyl salts Тезисы SARATOV FALL MEETING, Р. 1169 (год публикации - 2021).

4. Чарушникова З.А., Харчева А.В., Иванов А.В., Борисова Н.Е., Пацаева С.В. The influence of the counterion type on the luminescent properties of organo-soluble europium complexes Proceedings of SPIE, V. 12086, P. 120860E (год публикации - 2021).