Российские ученые совместно с европейскими коллегами обнаружили, что, независимо от степени окисления плутония в прекурсоре, при осаждении аммиачным раствором получались наночастицы оксида четырехвалентного плутония схожих размеров и кристалличности. Причем кристаллическая структура наночастиц почти не отличалась от структуры крупных кристаллов PuO2. Результаты исследования опубликовано в журнале Nanoscience.
В процессе работы атомных реакторов неизбежно образуются радиоактивные отходы, среди которых изотопы плутония одни из самых долгоживущих. К концу 2014 года в 33 странах находилось около 2400 тонн плутония, и последние десять лет его количество растет со скоростью почти 50 тонн в год. Многие страны утилизируют ядерные отходы путем захоронения их под землей в специальных сосудах. Однако исследователи до сих пор не знают наверняка, что происходит с соединениями плутония в ядерных отходах и в природе с годами.
Фундаментальные исследования свойств соединений плутония в условиях окружающей среды помогут понять и предсказать, что со временем происходит с радиоактивными изотопами. Евгений Гербер с коллегами из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и институтов европейских стран исследовали структуру и свойства наночастиц оксида плутония PuO2 — соединения, которое часто образуется в результате геохимических реакций с этим элементом. Наночастицы синтезировали осаждением раствором аммония из разных прекурсоров: трех-, четырех- и пятивалентных соединений плутона, а также при рН 8 и сильнощелочных средах, в которых это значение было выше 10. Полученные образцы исследовали с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения и ряда рентгеновских методов с использованием синхротронного излучения.
Схема проведения эксперимента. Полученные из растворов плутония в различных степенях окисления наночастицы оксида плутония исследовали с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM) и методов анализа структуры, электронного состояния и размеров частиц с использванием синхротронного излучения
Evgeny Gerber et al. / Nanoscience, 2020
Спектры дифракции образцов, полученные методом рассеяния рентгеновского излучения высоких энергий (с) схожи между собой и с референсным образцом оксида четырехвалентного плутония. Размеры частиц в разных образцах (d) также сходны между собой
Evgeny Gerber et al. / Nanoscience, 2020
1/2 Использованные экспериментальные методы и теоретические расчеты давали схожие результаты. Независимо от прекурсора и кислотности среды, получались только наночастицы четырехвалентного оксида плутония PuO2 с одинаковыми размерами и кристалличностью. Их диаметр составлял от 2,3 до 3,2 нанометра, но, несмотря на малые размеры, кристаллическая структура лишь немного отличалась от структуры объемного PuO2.
Полученные результаты важны для понимания химии плутония в реальных условиях: по словам авторов, исследование может оказаться полезным в улучшении безопасности хранилищ радиоактивных отходов.
Помимо атомной энергетики, закон радиоактивного распада можно использовать для определения возраста объектов, в том числе Земли. О том, как работают радиоактивные часы читайте в нашем материале «Капсулы времени».
Алина Кротова