لم يؤثر أي من العناصر الكثيرة في الجدول الدوري على مجرى التاريخ كما فعل البلوتونيوم: مشروع مانهاتن خلال الحرب العالمية الثانية ، ومشروع ترينيتي ، والحرب الباردة ، وكارثة تشيرنوبيل. تراكمت كل هذه الأحداث التاريخية رغبة في العظمة ، والتي غالبا ما تنطوي على تضحيات كبيرة. لسوء الحظ ، تؤدي بعض الاكتشافات الكبيرة إلى عواقب كبيرة. إن التلوث البيئي الناجم عن النفايات المشعة ليس الأول من بين العديد من المشكلات البيئية في هذه المرحلة من التنمية البشرية ، ولكن يجب ألا تنسى ذلك. نلتقي بكم اليوم اكتشافًا مذهلاً حدث عن طريق الصدفة ، مما أدى إلى اكتشاف مرحلة جديدة قوية ومستقرة من البلوتونيوم - Pu (V). كيف حدث هذا الاكتشاف العشوائي ، ما هو غير المعتاد في المرحلة الجديدة من البلوتونيوم ، وما أهمية هذه الدراسة بالنسبة للبيئة؟ نتعرف على هذا من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.
عشوائية عشوائية
بطل الرواية لهذا الاكتشاف هو الفيزيائي من مركز Helmholtz Dresden-Rossendorf (HZDR) Christina Kvashnina ، التي أجرت بالتعاون مع فريقها سلسلة من التجارب داخل جدران ESRF (سينكروترون الأوروبية في غرينوبل ، فرنسا).
الدكتور كفشنينا في العمل.كان الهدف الرئيسي من البحث الذي أجراه Kvashnina إنشاء جسيمات متناهية الصغر من ثاني أكسيد البلوتونيوم باستخدام
سلائف مختلفة
* ومزيد من دراستها.
السلائف * - مادة متورطة في التفاعل ، مما يؤدي إلى تكوين المادة المستهدفة.
أثناء التجربة التالية ، تم استخدام مقدمة PU (VI) ، ولكن حدث رد فعل في منتصف الطريق. في البداية ، قرر معظم العلماء في مجموعتها فشل التجربة ، وكان الأمر يستحق البدء من جديد. لكن دراسة أكثر تفصيلا لنتائج هذا "الفشل" أدت إلى تحديد بو (الخامس) - البلوتونيوم الخماسي التكافؤ ، والذي لم يكن لوحظ سابقا.
لم يكن أي شخص مستعدًا للاعتقاد باكتشاف المرحلة المستقرة من Pu (V) دون أدلة قوية ، لذلك ، أجريت تجارب وقياسات وتحليلات إضافية للبيانات التي تم الحصول عليها. الطريقة الرئيسية لتأكيد الاكتشاف هي HERFD (تحليل مضان عالي الدقة).
أساس الدراسة
واحدة من السمات غير السارة للبلوتونيوم هو أنه يمكن أن ينتشر بسهولة في شكل
الغرويات * لعدة كيلومترات من نقطة الدخول إلى الأرض عبر المياه الجوفية.
الغروانية * عبارة عن تقاطع بين الحل الحقيقي والتعليق.
بالإضافة إلى ذلك ، يتم امتصاص البلوتونيوم بسهولة عن طريق الطين أو أكاسيد الحديد أو المواد العضوية الطبيعية. وبالتالي ، في الأماكن التي يوجد فيها البلوتونيوم لبعض الوقت (تخزين الوقود النووي أو النفايات النووية ، وما إلى ذلك) ،
يتم تشكيل PuO
2 .
البلوتونيوميهتم العلماء جدًا بدراسة هذا النوع من الجسيمات النانوية الغروية من أجل إيجاد طريقة لتقليل درجة التلوث الإشعاعي. أكثر القضايا التي تمت مناقشتها في هذا المجال هي بنية الجسيمات النانوية (البلورية أو التي لا تزال غير متبلورة) ، بالإضافة إلى وجود Pu (V) في الجسيمات النانوية الصغيرة (<3 نانومتر). يتم إجراء المزيد والمزيد من الأبحاث ، ولكن لا توجد أسئلة أقل.
أحد الخصائص الرئيسية للسلوك الكيميائي لـ Pu هو تنوع حالات الأكسدة الخاصة به ، والتي يتم تحديدها بعدد الإلكترونات التي تمت إزالتها من المدارات التكافلية للذرة المحايدة. يحتوي البلوتونيوم الخماسي التكافؤ في الحالة المؤكسدة على 3 إلكترونات في الغلاف 5f ، مما يترك المدارات 6d فارغة. لذلك ، فإن حالة الأكسدة بو تحدد سلوكها الكيميائي و speciation. يمكن أن تتعايش أربع حالات أكسدة (من الثالث إلى السادس) في ظل الظروف البيئية. هناك افتراض أن درجة (VII) وحتى (VIII) قد تكون مستقرة في الظروف القلوية للغاية.
تم تحديد حالات أكسدة الأنواع
PU المائية والصلبة والواجهات سابقًا بواسطة التحليل الطيفي
XANES * باستخدام حافة L3 من Pu.
XANES * هي بنية امتصاص أشعة سينية دقيقة.
حافة نطاق الامتصاص * هي قيمة طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي ، في حالة تجاوزها ، توجد زيادة حادة في امتصاص هذا الإشعاع بواسطة المادة التي تم فحصها.
يسمح تطبيق هذه الطريقة لأحدهم بتحديد Pu (V) ، لأن طيفه يظهر دائمًا تحولًا مميزًا في الطاقة نحو طاقات أقل ، على عكس أطياف Pu (IV) و Pu (VI).
يمكن تحسين فك تشفير بيانات الطاقة XANES من خلال تطبيق تحليل مضان HERFD. ومع ذلك ، هناك بعض الصعوبات: على حافة L3 من البلوتونيوم ، يتم تحفيز الإلكترونات من المستوى 2p من النواة إلى المستوى 6d ، والتي ليست دائما مشغولة بغض النظر عن درجة أكسدة PU. لذلك ، فإن تطبيق L3 edge لن يعطي نتائج دقيقة. لذلك ، تقرر تطبيق حافة M4. يستكشف امتصاص الأشعة السينية عند حافة M4 للأكتينيدات الحالات 5f من خلال التحولات من المستوى الأساسي ثلاثي الأبعاد.
الصورة رقم 1ويبين الشكل
1 أ أول بيانات تجريبية HERFD لأنظمة Pu
IV O
2 و KPuVO
2 CO
3 (s) مع حالات أكسدة لـ Pu (IV) و Pu (V) ، على التوالي.
* (s) - (المرحلة الصلبة - الصلبة)
تم جمع البيانات باستخدام مطياف انبعاث الأشعة السينية مع مؤشر إشعاع مجموعة من 3534 فولت. يُظهر طيف HERFD لـ PuO
2 بوضوح قمتين مكثفتين ، عند ~ 3970.2 فولت و 3971.8 فولت. وفقًا لنتائج الحسابات (
1 ب ) التي تم إجراؤها في إطار نموذج النجاسة الانفرادي لأندرسون ، فإن شدة وطاقة هاتين القمتين هما نتيجة لعدة عوامل: قوة التفاعلات داخل البلورية والبلطجية ، ودرجة تهجين بو 5f-2p يجند في الأرض والحالة النهائية لعملية التحليل الطيفي. مقارنةً بـ PuO
2 ، فإن طيف HERFD الخاص بـ KPuO
2 CO
3 (s) يتجه نحو طاقة أعلى ويظهر صورة ضيقة ذات شكل غير متماثل وكتف على جانب الطاقة الأعلى.
يوضح الشكل
1 ب نتائج العمليات الحسابية باستخدام نموذج أندرسون ، الذي يتوافق بشكل ممتاز مع طيف HERFD التجريبي لـ KPuO
2 CO
3 (s) ، مما يؤكد وجود حالة أكسدة خماسية التكافؤ بو في KPuO
2 CO
3 (s) .
نظرًا لقواعد اختيار ثنائي القطب (J = 0 ؛ ± 1) ، من المتوقع أن يكون شكل HERFD لتقاطع Pu M4 و M5 مختلفًا. عند حافة M5 لـ Pu ، يمكن الوصول إلى مستويات الإلكترون غير المشغولة 5f مع J = 5/2 و 7/2 بواسطة إلكترون متحمس من حالة Pu 3d
5/2 ، بينما يمكن الوصول إلى الحالة J = 5/2 فقط عند حافة M4 للبلوتونيوم .
وقد وجد أن تحول الطاقة بين Pu (III) و Pu (IV) و Pu (V) في المركبات الصلبة حوالي 2 فولت بين Pu (III) و Pu (IV) و 0.4 eV بين Pu (IV) و Pu (V) ). ويترتب على ذلك أنه من أجل تحديد درجة أكسدة البلوتونيوم بدقة أكبر ، من الضروري تحسين دقة الطاقة في أطياف الامتصاص.
لذلك ، كما نعلم بالفعل ، تُظهر الصورة
1 أ بيانات HERFD التجريبية المسجلة في مراحل مختلفة أثناء تخليق الجسيمات النانوية PuO
2 من مقدمة PU (VI) المائية.
أولاً ، تمت إضافة الأمونيا إلى محلول Pu (VI) ، مما أسفر عن قيمة pH 11. تُظهر حركيات تحويل Pu (VI) إلى PuO
2 عملية من مرحلتين. خلال الدقائق الأولى ، لوحظ تشكيل مرحلة بو المتوسطة التي تتكون من الحمأة الصفراء (الصورة أدناه).
الصورة رقم 2: حركية تحويل Pu (VI) إلى PuO 2 .في وقت لاحق ، أثناء تشكيل الجسيمات النانوية PuO
2 ، تم حل هذه المرحلة الوسيطة وتشكيل مرحلة توازن أخرى ، تسمى "المرحلة النهائية". يظهر الخط الأزرق في
1 أ طيف HERFD المسجل في خطوة التفاعل الوسيطة. من هذا الطيف ، تكون حالة أكسدة Pu (V) مرئية.
بالإضافة إلى ذلك ، يُظهر طيف HERFD لمنتج التفاعل النهائي الذي تم تشكيله بعد 3 أسابيع من تفاعل الهطول ملفًا شخصيًا مطابقًا لمظهر البلورة المنفردة PuO
2 . هذا يؤكد أن التفاعل ينتهي بتكوين جسيمات نانوية PUO
2 ذات بنية مكعبة وحالة أكسدة بو (IV).
بعد ذلك ، أجرى العلماء تحليل ITFA (تحليل تكراري لعامل التحويل) ، والذي يسمح لتقييم مساهمة مختلف الحالات الكيميائية في بيانات HERFD التي تم الحصول عليها. أظهرت نتائج التحليل أن طيف المرحلة المتوسطة بو يحتوي على 87 ٪ بو (V) و 13 ٪ بو (IV). لم يلاحظ مساهمة كبيرة من Pu (V) في المرحلة النهائية ، كما لم يلاحظ في Pu (VI) المحدد كمياً. بمعنى آخر ، بعد تكوين PuO
2 ، كانت الجسيمات النانوية Pu (V) غائبة في المرحلة النهائية تمامًا ، على النقيض من Pu (IV). وجد العلماء أيضًا أن استعادة Pu (VI) إلى Pu (IV) لا تحدث في خطوة واحدة. يتم تقليل Pu (VI) أولاً إلى Pu (V) ، ثم إلى Pu (IV).
تقرر إجراء سلسلة من التجارب الإضافية HERFD و EXAFS (بنية دقيقة لامتصاص الأشعة السينية الدقيقة الممتدة) على حافة L3 من Pu ، والتي من شأنها أن تسمح لنا بتحديد المرحلة المتوسطة التي تتجلى خلال تشكيل الجسيمات النانوية PuO
2 .
الصورة رقم 3يوضح الرسم البياني أعلاه مقارنة بيانات HERFD للحافة L3 من Pu المسجلة لـ PuO
2 ومرحلة Pu الوسيطة أثناء تكوين الجسيمات النانوية PuO
2 .
كما نوقش سابقًا ، يُظهر طيف L3 لمركبات Pu (V) دائمًا تحولًا مميزًا نحو طاقات أقل وتناقص في شدة
الخط الأبيض * L3 مقارنة بأنظمة Pu (IV) و Pu (VI).
الخط الأبيض * - في بعض أطياف XANES ، يمكن أن تؤدي الحافة المتزايدة لفرقة الامتصاص إلى ذروة حادة حادة تسمى "الخط الأبيض".
التحول الكيميائي للمرحلة الوسيطة Pu مرئي بوضوح في بيانات HERFD ويشير إلى درجة أكسدة Pu (V).
بعد ذلك ، تم إجراء العمليات الحسابية المستندة إلى القوانين الأساسية للعلوم الطبيعية لتحديد مرحلة Pu الوسيطة أثناء تخليق الجسيمات النانوية PuO
2 . على غرار أطياف HERFD من عدة مركبات تحتوي على بو. تم العثور على أفضل اتفاق لـ NH
4 PuO
2 CO
3 والذي يوجد فيه Pu في حالة pentavalent. أكّد تحليل EXAFS أيضًا أن طور PU الوسيط المتشكل أثناء تخليق الجسيمات النانوية لـ PuO
2 متوافق مع NH
4 PuO
2 CO
3 .
تم إذابة الطور الوسيط NH
4 PuO
2 CO
3 بالكامل خلال 10 ساعات تقريبًا ، وبعد ذلك ، نتيجة لتفاعلات الأكسدة الطويلة ، تم تشكيل جسيمات PUO
2 النانوية.
أخيرًا ، تم طرد جزء من الطور Pu (V) الوسيط من التعليق وتجفيفه في درجة حرارة الغرفة للتحقق من ثباته. من المثير للدهشة أن مرحلة NH
4 PuO
2 CO
3 المجففة تحولت إلى ثبات كبير حتى بعد بضعة أشهر.
في جميع التجارب الموضحة أعلاه ، كان الرقم الهيدروجيني هو 11. للتحقق من مدى تأثير هذا على النتائج ، أجرى العلماء تجارب مماثلة ، ولكن مع الرقم الهيدروجيني 8. ونتيجة لذلك ، وجد أن حركية ترسيب PU مشابه تمامًا للبيانات السابقة ، ولكن مقدار Pu المتوسط (V) ) المرحلة في هذه الحالة أقل.
توضح المقارنة بين الظروف التجريبية والبيانات الديناميكية الحرارية المتاحة أن قيم Eh / pH تتوافق مع منطقة الاستقرار في مرحلة Pu (IV). وهذا يعني أن تشكيل المرحلة الوسيطة Pu (V) أمر ممكن تمامًا ، ولكن الاستقرار الديناميكي الحراري العالي لـ PuO
2 وقابلية ذوبانه المنخفضة للغاية يؤديان إلى مزيد من التحويل لمرحلة Pu (V) إلى PuO
2 .
نتيجة هذه الدراسة هي أنه على الرغم من اعتبار PU (V) الصلب دائمًا كمركبات غريبة ، فإن الطور الصلب القابل للتحريك الديناميكي لـ Pu (V) يتكون من الترسيب الاختزائي للجسيمات النانوية PuO
2 من سلائف Pu (VI) عند pH 11. وقد تميز العلماء أيضًا لأول مرة بوجود وسيطة بو (الخامس) المرحلة التي HERFD.
للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في
تقرير العلماء ومواد
إضافية إليه.
خاتمة
للوهلة الأولى ، يبدو أن هذا الاكتشاف ، حتى لو كان عن طريق الصدفة ، لا يحقق أي فائدة في حد ذاته. ومع ذلك ، كلما عرفنا عن البلوتونيوم ، كلما كان فهمنا للعمليات التي تحدث بمشاركتها أفضل. لذلك ، سوف نكون قادرين على القضاء بشكل أكثر فعالية على آثار التلوث الإشعاعي.
في هذه الدراسة بالذات ، أصبح من المعروف أن عمليات الأكسدة والاختزال الكامنة وراء تحويل الجسيمات النانوية PU (VI) إلى الجسيمات النانوية PuO
2 وتشكيل Pu (V) لها تأثير قوي على زيادة القابلية للذوبان.
تسمح لنا دراسة خصائص البلوتونيوم بفهم كيف ستتصرف النفايات النووية بعد فترة طويلة ، حتى بعد مليون عام. واكتشاف المرحلة الصلبة الثابتة Pu (V) يقدم بشكل لا لبس فيه تصحيحات معينة لمثل هذه التوقعات.
شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين ولديكم أسبوع عمل جيد ، شباب. :)
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30٪ لمستخدمي Habr على خادم مستوى دخول تناظري فريد اخترعوه لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 دولارا أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا
2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولار اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟