基于防治核能放射性污染的锕系元素固体化学研究

【摘要】：近几年来,一系列新的锕系元素(钍,铀,镎,钚,镅,锔)硼酸盐化合物由硼酸熔融反应制备得到。这些化合物具有异常复杂的晶体结构以及非常优越的物理性质。其中,硼酸钍(NDTB-1)具有纯无机多孔阳离子框架结构而拥有显著的阴离子交换性能,能够选择性地从高放废液及核电站放射性污染废水中近乎完全提取出锝-99,并在整个过程中保持高度的稳定性。其对于高锝酸根的吸附效率相比于之前所有已知的阴离子交换材料实现了量级上的飞跃(固液分配系数Kd高达~10000)(图一)。在美国汉福核电厂(Hanford Site)所开展的热实验证实NDTB-1能够将该厂址实际高放废液中的锝-99有效去除[1-3];硼酸铀化合物系统具有非常复杂的结构拓扑并且其合成条件十分温和,并初步探索了利用熔融硼酸实现低温固化阻滞锕系放射性核素的可能性[4-5];在研究硼酸镎化合物中镎的混合价态时,发现了具有锕系元素三重价态化合物的罕见例子(图二),提供了首个能够容纳所有轻锕系元素稳定价态的晶格矩阵,从而引申出了核废料中锕系元素普适储放形式的概念[6-7];同时发现了硼酸钚中新颖的三价锕系元素配位环境[8];最后,发现硼酸镅与硼酸锔同时显示出与硼酸钚与硼酸镧的显著差异,是初次被发现的能够鉴别三价镧系锕系元素的晶格系统,从而引申出新的镧锕分离和镅锔分离方略[9-12],而之前所有的三价锕系元素化合物系统无一例外地采取与三价镧系系统等同结构的形式(无法鉴别从而造成分离困难)。至今为止,关于超铀元素化合物的晶体结构与化学键的研究由于放射性实验安全的限制还十分有限,因此,我们在这一领域中的系统研究具有重要的意义并具有一定挑战性,不仅系统地揭示了超铀元素化合物中结构与物性的对应关系,同时对于与核能相关的放射性污染的防治具有重要指导意义:(1)为建立新一代核废料化学储放形式,有效降低锕系放射性废物在环境中扩散的可能性提供科学依据;(2)为建立相对简单高效的新型乏燃料后处理概念流程从而为降低核废料的放射毒性提供了可能性。