הוצאת ארבע-ערכית יעילה של אקטינידים מחומצנים בחומצה חנקתית באמצעות נוזל יוני למשימה ספציפית מבוסס על tri-N-octyl methyl ammonium N-dodecyl sulphate

ניקוי תחנת הכוח הגרעינית

אנרגיה גרעינית יכולה לייצר כמויות גדולות של חשמל ללא פליטת גזי חממה, אך היא משאירה אחריה שאריות בעלות קרינה גבוהה. חלק מהמתכות בפסולת זו, כגון פלוטוניום ואורניום, הן גם מסוכנות וגם בעלות ערך. במחקר זה נבדק נוזל חדש, בר־קיימא יותר, שיכול לשלוף מתכות מסוימות מתמיסות רדיואקטיביות קשות, ובכך לסייע למחזר חומרים שימושיים והקטנת העומס הארוך־הטווח של הפסולת הגרעינית.

נוזל ניקוי בעיצוב מותאם

המבקרים תכננו נוזל יוני "לעבודה ספציפית" — מלח שהוא נוזל בטמפרטורת החדר — המורכב מיונים אורגניים גדולים. בשונה מממסים נפוצים המבוססים על כימיקלים אורגניים נדיפים, נוזלים יוניים כמעט ואינם מתאדים וניתנים לכוונון כימי למשימות מוגדרות. כאן הצוות קישר קבוצת דטרגנט דמוית דודהציל סולפט ליון אמוניום מסיבי, ויצר נוזל צמיג בצבע קש בהיר. זנב הדטרגנט זה דומה למרכיבים במוצרי רחצה וסבון, אך במקרה זה הוא מעוגן קבוע לנוזל היוני, והופך את כל המולקולה למחלץ חזק ליוני מתכת המומסים במים חומציים.

איך הוא תופס מתכות גרעיניות

דלק גרעיני משומש נמס בדרך כלל בחומצה חנקתית, ויוצר תערובת של יוני מתכת וצורות מולקולריות שונות. הנוזל היוני החדש נבחן על שלושה אלמנטים אקטינידיים מרכזיים: פלוטוניום במצב ארבע-חיובי, אורניום במצב שש-חיובי ואמריציום במצב שלוש-חיובי. בעזרת כיוונון מדויק של חוזק החומצה הראו החוקרים כי הפלוטוניום משנה צורה — מיונים פשוטים טעונים לקומפלקסים נתרתיים מורכבים יותר — ושינויים אלה משפיעים בעוצמה על מעברו לנוזל היוני. בטווחי חומציות בינוניים-גבוהים, הנוזל יוצר קומפלקסים יציבים עם יחידות המכילות פלוטוניום, מושך אותן לפאזה היונית, בעוד שרוב האמריציום נשאר מאחור והאורניום נמשך במידה מתונה יותר.

בחירת מועדפים: פלוטוניום על פני אורניום ואמריציום

ממצא מרכזי הוא עד כמה הנוזל סלקטיבי. בתנאים מותאמים היטב, הפלוטוניום נחלץ בעוצמה גבוהה פי אלפי מאורניום, ועד מאה אלף פעמים יותר מאמריציום. זה עולה בהרבה על מערכות ממס מסורתיות רבות המשמשות כיום בעיבוד חוזר גרעיני. המחברים ייחסו התנהגות זו לאופן שבו קבוצות הראש הטעונות של הנוזל היוני וזנבות הסולפט עוטפים קומפלקסים נתרתיים של פלוטוניום, ויוצרים סידורי קשירה מועדפים מאוד. האורניום, שמייצר צורות שונות בתמיסה, מתאים פחות באופן הדוק, והאמריציום כמעט ואינו תופס אינטראקציה, ולכן הם נשארים בעיקר בפאזה המימית. "העדפה" טבעית זו מאפשרת להפריד פלוטוניום משאר האקטינידים בתהליך נוזל–נוזל יחסית פשוט.

איטי אך חזק, וניתן לשימוש חוזר

הנוזל החדש צמיג, מה שמאט את קצב הדיפוזיה של המתכות דרכו, ולכן נדרשת בערך שעה לכל צעד חילוץ — יותר מאשר ממסים קלים וקונבנציונליים. עם זאת, הקשירה עצמה מלווה בשחרור חום חזק, כך שברגע שפלוטוניום או אורניום נקשרים, הקומפלקסים די יציבים. הצוות גם חקר כיצד להשיב את המתכות מהנוזל היוני, שלב חשוב למחזור. שינויים פשוטים בחומציות לא הספיקו, אך תמיסות עדינות של חומצה אוקסלית או פחמת נתרן, ביישומים במספר מגעים, הצליחו לגרוף כמעט את כל הפלוטוניום והאורניום הטעונים. הנוזל היוני יכול אז לשמש שוב לפחות בחמשת מחזורי החילוץ–גילוף עם איבוד ביצועים מזערי.

עמידות לקרינה — ומגבלותיה

מאחר שזרמי הפסולת הגרעינית רדיואקטיביים בעוצמה גבוהה, הממס עצמו חייב לעמוד בהמטחות של חלקיקים אנרגטיים. המחברים חשפו את הנוזל היוני לקרני גמא במנות מאוד גבוהות ומצאו כי למרות שכוח החילוץ ירד בהדרגה — בכ-שליש עד כמעט מחצית עבור האורניום במנה הגבוהה ביותר — המסגרת המולקולרית העיקרית נשמרה לפי מדידות אינפרא-אדום ו-NMR. צפוי פירוק חלקי לאמינים קטנים יותר, פחמימנים ושברי סולפט, אך החומר עדיין פעל בצורה סבירה גם לאחר טיפול קשה.

למה זה חשוב לניהול פסולת גרעינית

למי שאינו מומחה, המסר המרכזי הוא שהחוקרים יצרו "ממס מעוצב" סלקטיבי וחזק יחסית שיכול לשלוף פלוטוניום מפסולת חומצית ביעילות גבוהה יותר מאשר טכנולוגיות רבות קיימות, תוך שימוש בנוזל שאינו מתאדה או בוער בקלות. על ידי העדפת פלוטוניום על פני אורניום ואמריציום, ועבודה בתנאים הדומים לאלו של פסולת ברמה גבוהה אמיתית, נוזל יוני זה יכול לסייע בתוכניות מחזור עתידיות לשיחזור חומרים אסטרטגיים ולהקטנת הרדיואקטיביות לטווח הארוך שיש לאחסן. עדיין קיימים אתגרים — במיוחד בהאצת התהליך ושיפור העמידות לקרינה — אך העבודה מצביעה על כימיה נקייה וברות-קיימא יותר לניהול השאריות הקשות ביותר של אנרגיה גרעינית.

ציטוט: Chowta, S.D., Sengupta, A. & Mohapatra, P.K. Efficient extraction of tetravalent actinide from nitric acid feeds using tri-N-octyl methyl ammonium N-dodecyl sulphate functionalized task-specific ionic liquid. npj Mater. Sustain. 4, 14 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-025-00094-4

מילות מפתח: נוזלים יוניים, פסולת גרעינית, הפרדת פלוטוניום, חילוץ בַּמַּסָּה, כימיה של אקטינידים