Международная исследовательская группа во главе с Кристиной Квашниной из ГЗДР Гельмгольца-Дрездена-Россендорфа обнаружила новую форму плутония: стабильную фазу валентности 5. Эта фаза, которая ранее считалась несуществующей, могла бы играть роль в окончательном захоронении радиоактивных отходов. Безопасная утилизация ядерных отходов является проблемой. Даже в течение очень длительного времени радионуклиды не должны попадать в окружающую среду.
Плутоний является одним из наиболее проблемных элементов, в том числе урана. Хотя плутоний как тяжелый металл плохо растворяется в воде, исследователи на загрязненных территориях обнаружили что в течение нескольких десятилетий он переносился с грунтовыми водами на километры. На самом деле, он путешествует как автостопщик, связываясь с коллоидами, то есть нанометровыми частицами глинистых минералов, оксидов железа или органических веществ.
В 2006 году это открытие вызвало настоящий ажиотаж, и стало ясно, что эти эффекты необходимо учитывать при оценке рисков для хранилищ. Теперь команда HZDR, в сотрудничестве с Московским государственным университетом, Упсальским университетом и Объединенным исследовательским центром (JRC) в Карлсруэ, добавила аспект этого анализа рисков. По чистой случайности. На самом деле, эти эксперименты были о чем-то совершенно ином. Первоначально исследователи хотели исследовать, как наночастицы диоксида плутония могут быть получены из различных предшественников. Затем эти частицы будут дополнительно исследованы в Европейском центре синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле.
Процедура всегда была одинаковой - только степени окисления плутония, который служил в качестве исходного материала, отличались. Все прошло как положено, и PuO 2 наночастицы, которые легко узнаваемы по зеленому цвету, развиваются очень быстро. Но затем команда использовала шестивалентный плутоний: «Внезапно мы заметили сумасшедшее явление в середине этого, потому что раствор стал желтым», вспоминает Кристина Квашнина.
По-видимому, была реакция, которая привела к неизвестному продукту. Чтобы узнать, что это было, Квашнина упаковала желтый раствор в специальные контейнеры и доставила его в Гренобль. Там образцы были проанализированы на линии синхротронного пучка ROBL. Поведение электронов можно наблюдать с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии. «Таким образом, мы обнаружили, что степень окисления плутония в этом желтом растворе фактически равна 5», - объясняет Квашнина.
Так что это было в форме, ранее считавшейся экзотической, и многие исследователи даже не верили, что она существует: она должна быть нестабильной. Размер сомнений по поводу результатов проявился, когда команда проверила свои данные с коллегами из МГУ: они сочли измерения результатом неудачного синтеза. Исследователи повторили свои синтезы и измерения, а также использовали вторую линию луча ESRF. Но результаты остались прежними. Кроме того, команда смогла продемонстрировать долговременную стабильность, измерив три месяца спустя. Затем было и подтверждение с другой стороны: два химика-теоретика из ХЖДР и университета в Упсале своими химическими моделями пришли к выводу, что на самом деле существует стабильная фаза пятивалентного плутония.
«Без аналитических возможностей, предлагаемых синхротронным излучением, и возможности использования радионуклидов на нашей линии ROBL Россендорфера, это открытие никогда не было бы успешным», - говорит Квашнина. По словам исследователя, это открытие имеет большое практическое значение при прогнозировании поведения радионуклидов в атомных отходах на протяжении миллиона лет: «если учесть эту новую стабильную фазу, это, безусловно, изменит результаты теоретических прогнозов».