Séparation par ultrafiltration de Am(VI)

Nature volume 616, pages 482-487 (2023)Citer cet article

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La séparation de l'américium des lanthanides (Ln) présents dans le combustible nucléaire irradié joue un rôle clé dans le développement durable de l'énergie nucléaire1,2,3. Cette tâche est extrêmement difficile car les ions Am(III) et Ln(III) thermodynamiquement stables ont des rayons ioniques et une chimie de coordination presque identiques. L'oxydation de Am(III) en Am(VI) produit des ions AmO22+ distincts des ions Ln(III), ce qui a le potentiel de faciliter en principe les séparations. Cependant, la réduction rapide de l'Am(VI) en Am(III) par les produits de radiolyse et les réactifs organiques requis pour les protocoles de séparation traditionnels, y compris les extractions par solvants et solides, entrave les séparations pratiques basées sur l'oxydo-réduction. Nous rapportons ici un cluster de polyoxométalate (POM) à l'échelle nanométrique avec un site vacant compatible avec la coordination sélective des actinides hexavalents (238U, 237Np, 242Pu et 243Am) sur les lanthanides trivalents dans un milieu acide nitrique. À notre connaissance, ce groupe constitue l’espèce Am(VI) la plus stable en milieu aqueux observée jusqu’à présent. La séparation par ultrafiltration des amas nanométriques Am(VI)-POM des ions lanthanides hydratés par des membranes à pores fins disponibles dans le commerce permet le développement d'une stratégie de séparation américium/lanthanide à passage unique qui est très efficace et rapide, n'implique aucune substance organique. composants et nécessite un apport d’énergie minimal.

L'américium est un sous-produit de capture des neutrons de la production d'énergie nucléaire et un contributeur majeur à la radiotoxicité à long terme des déchets de haute activité. La récupération efficace de l'américium suivie d'une transmutation en nucléides à vie courte ou stables à l'aide de réacteurs rapides réduirait considérablement l'impact environnemental de l'énergie nucléaire. Cependant, la coexistence de lanthanides (Ln) avec des sections efficaces de capture de neutrons élevées (par exemple 157Gd) limite fortement l'efficacité de la transmutation. Surmonter cet obstacle nécessite le développement de séparations efficaces entre l’américium et les lanthanides et reste un défi de longue date dans l’industrie nucléaire depuis des décennies. Cette difficulté provient principalement de leur comportement chimique similaire, car l'américium et les lanthanides existent en solution sous forme de cations trivalents thermodynamiquement stables qui possèdent des rayons ioniques et une chimie de coordination presque identiques. Les séparations traditionnelles exploitent les subtiles différences de liaison entre les ions Am(III) et Ln(III), grâce auxquelles les agents d'extraction contenant des donneurs d'azote ou de soufre permettent un partage préférentiel de Am(III) par rapport à Ln(III)4,5. Cette stratégie de séparation est cependant encore entravée par une discrimination limitée entre Am(III) et Ln(III) et, plus particulièrement, par la génération de grandes quantités de déchets liquides radioactifs secondaires.

Une méthode proposée pour atténuer ce défi de séparation est l’oxydation de l’Am(III) aux états d’oxydation supérieurs de l’Am(V) et de l’Am(VI)6. Ces cations possèdent une chimie de coordination qui est parallèle aux ions actinyle précoces dioxo linéaires, tels que UO22+ et NpO2+, avec une coordination anisotrope contrastant fortement avec les ions Ln(III) relativement isotropes7. Ceci conduit en principe à une meilleure discrimination entre l’américium et les lanthanides et à une augmentation ultérieure de l’efficacité de la séparation. Bien que diverses techniques aient été explorées selon un protocole basé sur l'oxydoréduction, notamment l'extraction par solvant8,9,10,11, la précipitation12 et la chromatographie par échange d'ions13, un problème non résolu est celui de la réduction inévitable de l'Am de haute valence en Am(III) pendant le processus de séparation. . Les cations Am(VI) sont des agents oxydants puissants avec des potentiels de réduction de 1,6 V et 1,68 V pour les couples AmO22+/AmO2+ et AmO22+/Am3+, respectivement (par rapport à l'électrode au calomel saturé (SCE))6. Par conséquent, les espèces Am(III) peuvent être produites en quelques secondes une fois que les ions Am(VI) entrent en contact avec des extracteurs/solvants organiques ou passent à travers une colonne chromatographique, ce qui rend ces séparations peu pratiques. En fait, Am(VI) et Am(V) sont traditionnellement considérés comme instables en solution aqueuse car ils peuvent même être réduits efficacement par des produits de radiolyse active, étant donné que les deux isotopes courants de l'américium liés au cycle du combustible nucléaire (241Am et 243Am) sont tous deux considérablement radioactifs.