Эффективное извлечение тетравалентных актинидов из нитратных растворов с помощью функционализованной задачно‑специфической ионной жидкости три‑N‑октил метил аммоний N‑додецилсульфата

Очистка ядерной энергетики

Ядерная энергия способна вырабатывать большие объёмы электроэнергии без выбросов парниковых газов, но при этом остаются сильно радиоактивные остатки. Некоторые металлы в этих отходах, например плутоний и уран, одновременно опасны и представляют ценность. В этом исследовании рассматривается новая, более устойчивая жидкость, способная избирательно извлекать определённые металлы из агрессивных радиоактивных растворов, что помогает перерабатывать полезные материалы и снижать долговременное бремя ядерных отходов.

Специально созданная очищающая жидкость

Исследователи сконструировали специальную «задачно‑специфическую» ионную жидкость — соль, жидкую при комнатной температуре — собранную из объёмных органических ионов. В отличие от обычных растворителей на основе летучих органических веществ, ионные жидкости почти не испаряются и могут быть химически настроены для конкретных задач. В этой работе команда присоединила к массивному аммониевому иону детергентоподобную группу додецилсульфата, получив вязкую соломенно‑жёлтую жидкость. Этот детергентный хвост напоминает моющие компоненты шампуней и мыл, но здесь он прочно связан с ионной жидкостью, превращая молекулу в мощный экстрагент для ионов металлов, растворённых в кислотной воде.

Как она захватывает ядерные металлы

Отработанное ядерное топливо обычно растворяют в азотной кислоте, образуя коктейль из разных ионов металлов и молекулярных форм. Новую ионную жидкость испытывали на трёх ключевых актинидах: плутонии в тетравалентном состоянии, уране в гексавалентном и амерции в трёхвалентном. Тщательная регулировка силы кислоты показала, что плутоний меняет свою форму — от простых заряженных ионов до более сложных нитратных кластеров — и эти изменения сильно влияют на его переход в ионную жидкость. При средних и высоких уровнях кислотности жидкость образует стабильные комплексы с нитратсодержащими единицами плутония, вытесняя их в ионную фазу, в то время как большинство амерция остаётся в водной фазе, а уран захватывается в умеренных количествах.

Выбор фаворитов: плутоний против урана и амерция

Ключевой результат — очень высокая селективность жидкости. При оптимизированных условиях плутоний экстрагировался в тысячи раз сильнее, чем уран, и до ста тысяч раз сильнее, чем амерций. Это значительно превышает многие традиционные системы растворителей, используемые сегодня в переработке. Авторы объясняют такое поведение тем, как заряженные головные группы и сульфатные хвосты ионной жидкости обвивают разные нитратные комплексы плутония, создавая особенно благоприятные структуры связывания. Уран, формируя иные геометрии в растворе, хуже «садится» в такие комплексы, а амерций практически не взаимодействует, поэтому остаётся преимущественно в водной фазе. Эта естественная «предпочтительность» позволяет относительно просто разделять плутоний от других актинидов методом жидкость–жидкость.

Медленно, но надёжно — и многоразово

Новая жидкость вязкая, что замедляет диффузию металлов, поэтому на каждый шаг экстракции требуется около часа — дольше, чем для более лёгких традиционных растворителей. Однако связывание само по себе сильно экзотермично, то есть после захвата плутоний или уран образуют довольно стабильные комплексы. Команда также изучала способы возвращения металлов из ионной жидкости, что важно для переработки. Простые изменения кислотности оказались недостаточны, но слабые растворы щавелевой кислоты или карбоната натрия, применённые в нескольких контактах, могли почти полностью снять загруженные плутоний и уран. Затем ионную жидкость можно было повторно использовать как минимум в пяти циклах экстракции‑стрipping с незначительной потерей эффективности.

Устойчивость к радиации — и её пределы

Поскольку потоки ядерных отходов обладают высокой радиоактивностью, растворитель должен выдерживать бомбардировку высокоэнергетическими частицами. Авторы облучали ионную жидкость большими дозами гамма‑излучения и обнаружили, что, хотя её экстрагирующая способность постепенно снижалась — примерно на треть и вплоть до половины для урана при наивысшей дозе — основная молекулярная структура по данным ИК‑ и ЯМР‑измерений оставалась целой. Ожидается некоторое разложение с образованием меньших аминов, углеводородов и сульфатных фрагментов, но материал по‑прежнему функционировал достаточно эффективно даже после суровой обработки.

Почему это важно для ядерных отходов

Для неспециалиста главный вывод таков: исследователи создали высокоселективный, относительно прочный «дизайнерский растворитель», способный извлекать плутоний из кислых ядерных отходов эффективнее многих существующих технологий, при этом используя жидкость, которая не испаряется и не горит легко. Благодаря предпочтению плутония перед ураном и амерцием и работе в условиях, сходных с реальными высокоактивными отходами, эта ионная жидкость может помочь будущим схемам переработки возвращать стратегически важные материалы и уменьшать длительную радиационную нагрузку, требующую хранения. Остаются вызовы — в частности, ускорение процесса и повышение стойкости к радиации — но работа указывает путь к более чистой и устойчивой химии управления самыми трудными остатками ядерной энергетики.

Цитирование: 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

Ключевые слова: ионные жидкости, ядерные отходы, сепарация плутония, экстракция растворителем, химия актинидов