Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
До прихода в группу теоретической химии и молекулярной физики Лос-Ала-мосской лаборатории в 1978 году два года проработал научным сотрудником Хейма Вейцмана вместе с Эрнестом Дэвидсоном. Занимается исследованием общих вопросов теории электронных структур, в частности, описанием переходных металлов и актиноидных систем.
Number 26 2000 Los Alamos Science
393
%
Химические взаимодействия актиноидов в окружающей среде
Вольфганг X. Рунде
Окружающая среда представляется химику как сложная, тщательно продуманная система. В формациях земли находятся сотни химически активных соединений и минералов, и каждое включение породы и почвы имеет свой собственный конкретный состав. Воды, натекающие на эти формации и протекающие через них, содержат разнообразные органические и неорганические лиганды. Место, где вода подходит к породе, является малоизученной граничной областью, обнаруживающей свои химические процессы.
Аналогично с точки зрения химика актиноиды представляют собой сложные элементы. Актиноиды появляются в последней строке таблицы Менделеева по мере заполнения электронами 5f электронных орбиталей, а не переходных элементов с 6d электронами. По сравнению с 4f электронами в ряду лантаноидов 5f электроны находятся дальше от ядра и являются относительно доступными для образования связей. Поэтому многие актиноиды обнаруживают многочисленные окислительные состояния и образуют десятки молекулярных форм с индивидуальным, характерным для каждого из них поведением. Ко всему прочему легкие актиноиды склонны к окислительно-восстановительным реакциям и, следовательно, могут менять свои окис-
лительные состояния даже при самых мягких условиях. Уран, нептуний и особенно плутоний зачастую имеют одновременно два и более окислительных состояния в одном и том же растворе. Соответственно легкие актиноиды обнаруживают самые разнообразные и сложные химические свойства среди элементов таблицы Менделеева.
В связи с этим химические взаимодействия актиноидов в окружающей среде необычайно сложны. Чтобы спрогнозировать, как актиноид распространяется в окружающей среде и насколько быстро произойдет данный перенос, нам нужно определить характеристики всех локальных условий, включая характер минералов конкретной местности, профили температуры и давления, а также значения pH, окис-лительно-восстановительного потенциала (Eh) и концентрации лигандов в локальных водах. Кроме того, нам нужно знать количественные характеристики всех геохимических процессов, влияющих на поведение актиноида, большинство из которых показано на рис. 1. Осаждение и растворение актиноидоне-сущих твердых веществ ограничивают верхний уровень концентрации актиноидов в растворе, а комплексообразо-вание и окислительно-восстановительные реакции определяют распределение и устойчивость форм. Взаимодействие растворенных форм с поверхностями
минералов и пород и/или коллоидами определяет, будут ли они мигрировать через окружающую среду, а если будут, то каким образом.
Представление о таком динамическом взаимодействии между актиноидами и окружающей средой имеет решающее значение для точной оценки возможности хранения ядерных отходов в геологических формациях. Актиноиды1 являются радиоактивными, долгоживущими и высокотоксичными веществами. За последние десятилетия в топливных стержнях промышленных ядерных реакторов накоплены огромные количества трансурановых актиноидов (с атомными номерами, большими атомного номера урана). В настоящее время большинство отработавших топливных стержней хранятся в промежуточных приземных хранилищах, но США и некоторые европейские государства планируют разместить их в подземных хранилищах на глубине нескольких сотен метров. В Министерстве энергетики США исследуют возможность создания хранилища высокоактивных отходов в горе
1 Хотя “актиноидами” являются четырнадцать элементов с атомными номерами от 90 до 103 (от тория до лоуренсия), в настоящей статье мы под этим термином будем подразумевать лишь уран, нептуний, плутоний, америций и кюрий, если не указано иначе. Только эти актиноиды вызывают беспокойство с точки зрения экологии.
394
Los Alamos Science Number 26 2000
Химические взаимодействия актиноидов в окружающей среде
¦ А*' г
4 s
J
Рис. 1. Общая информация о поведении актиноидов в окружающей среде
© * ^
ВИДЫ Np(IV) Np(H20)84+
Окислительно-восстановительные реакции приводят к изменению окислительного состояния актиноида и способствуют установлению равновесия между формами
Комплексообразование с различными лигандами может стабилизировать актиноиды в растворе и способствовать их переносу в окружающей среде
Актиноиды могут мигрировать с водой или путем сорбции на подвижные макрочастицы или коллоиды
Микробы могут активизировать окислительно восстановительные процессы актиноидов, а сорбция или поглощение микробами может представлять собой потенциальный режим переноса или фиксации
В сольватированной форме актиноид может осаждаться, образуя твердое вещество, которое, в свою очередь, определяет верхний предел концентрации этой сольватированной формы
