Une fois le combustible nucléaire irradié retiré d'un réacteur, il émet de la chaleur pendant des décennies et reste radioactif pendant des milliers d'années. Le combustible irradié est un mélange d'actinides majeurs (uranium, plutonium), produits de fission (principalement des métaux assortis, y compris les lanthanides) et les actinides mineurs (c. américium, curium et neptunium). Après la désintégration des produits de fission du césium-137 et du strontium-90 en quelques centaines d'années, les actinides mineurs et le plutonium génèrent le plus de chaleur et de radioactivité. Elimination des actinides mineurs, en particulier l'américium, peut aider les producteurs d'énergie nucléaire à réduire et à mieux gérer le flux de déchets.

Une équipe du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a conçu et synthétisé un piège moléculaire sélectif qui peut séparer l'américium, élément des actinides mineurs, d'un mélange d'américium et d'éléments lanthanides, en utilisant l'europium comme modèle de lanthanide dans les expériences. Alors que l'américium récupéré pourrait être brûlé dans des réacteurs nucléaires, les lanthanides sont des « poisons neutroniques » et doivent être éliminés dans un dépôt géologique pour se désintégrer.

"La séparation de l'américium est très difficile car les actinides et les produits de fission, spécifiquement les lanthanides, ont des propriétés très similaires, " a déclaré la chimiste organique de l'ORNL Santa Jansone-Popova, auteur principal de l'étude, qui a été publié dans la revue American Chemical Society Chimie inorganique . « Nous avons relevé ce défi, objet d'efforts intensifs de la communauté scientifique, avec une innovation qui améliore considérablement l'efficacité de l'extraction de l'américium.

"Énergie nucléaire, atteindre un état de durabilité, nécessitera le recyclage du combustible nucléaire irradié, " a déclaré Bruce Moyer, chef du groupe de séparations chimiques de l'ORNL et auteur principal de l'article. Cet exploit nécessiterait la séparation des actinides mineurs. La recherche ORNL identifie une méthode inventive pour les séparer sélectivement et efficacement. Des séparations améliorées permettraient une option fermée de recyclage du combustible nucléaire - une perspective alléchante étant donné que les États-Unis n'utilisent que 1 % de l'énergie nucléaire potentielle de l'uranium qu'ils extraient et ne recyclent actuellement pas le combustible nucléaire.

Concevoir et synthétiser un composé organique pour lier fortement l'américium en présence d'europium a nécessité un travail d'équipe caractéristique d'un laboratoire national. Les collaborateurs comprenaient les théoriciens Alexander Ivanov et Vyacheslav Bryantsev; chimistes organiques Jansone-Popova, Ilja Popovs et Madeline Dekarske; caractérisations structurales chimiste Radu Custelcean; et séparations chimistes Frederick Sloop et Moyer.

Un composé chimique (appelé ligand) peut se lier à un atome de métal. Pour une sélectivité élevée dans la liaison, le métal et le ligand doivent s'aligner, car une clé doit prendre une certaine orientation avant de pouvoir entrer dans une serrure. En 2015, Bryantsev et Ben Hay de l'ORNL ont émis l'hypothèse et démontré par ordinateur que des ligands très rigides contenant quatre atomes donneurs d'électrons seraient idéaux pour séquestrer des atomes d'actinides trivalents (ayant une charge positive nette de trois).

Lorsque les chimistes de l'ORNL ont entrepris de tester cette idée expérimentalement, ils ont immédiatement rencontré un problème important. De tels ligands n'avaient jamais été rapportés dans la littérature scientifique; ils devraient être conçus et synthétisés à partir de zéro.

Moyer a suggéré de créer un ligand saturé (c'est-à-dire, contient des liaisons simples) et préorganisé (positionne les atomes de manière optimale pour lier un métal). Les calculs théoriques de Bryantsev et Ivanov ont confirmé que ce ligand préorganisé séparerait l'américium d'un mélange d'américium et d'europium.

L'équipe s'est tournée vers Jansone-Popova, expert en synthèses totales de molécules complexes, pour générer une nouvelle famille de ligands. Popovs a permis d'identifier les meilleures voies de synthèse, et Dekarske, une stagiaire du Collège Agnes Scott, fait des matières premières. Custelcean a résolu les structures cristallines des produits finaux.

Jansone-Popova a créé la forme saturée du ligand préorganisé, un amide cyclique contenant un atome d'azote et un carbone doublement lié à l'oxygène. Ensuite, elle a introduit une double liaison dans ce système de cycle amide pour créer une forme cyclique insaturée. Dans un ligand qui n'est pas pré-organisé, les groupes chimiques appelés pyridines se font face. L'introduction d'une base azotée préorganise le système de manière à ce que les pyridines soient orientées dans la même direction.

Les ligands tétradentés ("quatre dents") résultants contenaient des atomes qui sont fortement attirés par les ions chargés positivement et donnent des électrons. Les ligands conçus comportent deux atomes d'azote et deux atomes d'oxygène qui se coordonnent avec le métal américium.

Dans le laboratoire de radiochimie, les expériences ont montré que les ligands saturés et insaturés se lient fortement à l'américium et à l'europium. Cependant, seul le ligand insaturé était remarquablement sélectif pour l'américium.

Les calculs ont révélé que la rigidité du ligand est cruciale pour la sélectivité.

Le titre de l'article est "Bis-lactam-1, 10-phénanthroline (BLPhen), un nouveau type de N Mixte Préorganisé, O-Donor Ligand qui sépare l'Am(III) de l'Eu(III) avec une efficacité exceptionnellement élevée."