Ett internationellt team av forskare, leds av Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), har hittat en ny förening av plutonium med en oväntad, femvärt oxidationstillstånd, med hjälp av ESRF, den europeiska synkrotronen, Grenoble, Frankrike. Denna nya fas av plutonium är solid och stabil, och kan vara en övergående fas i förvar för radioaktivt avfall. Resultaten publiceras denna vecka i Angewandte Chemie som ett mycket viktigt papper (VIP).

Länder över hela världen gör ansträngningar för att förbättra säkerheten vid lagring av kärnavfall för att förhindra utsläpp av radioaktiva nuklider till miljön. Plutonium, har visat sig transporteras av grundvatten från förorenade platser i kilometer i form av kolloider, som bildas genom interaktion med lera, järnoxider eller naturligt organiskt material. Ett team av forskare under ledning av HZDR studerar aktiniders kemi under miljörelevanta förhållanden, genom att syntetisera sådana föreningar, och sedan studera deras elektroniska och strukturella beteende både med avancerade synkrotronröntgenmetoder experimentellt såväl som teoretiskt.

Den senaste uppsatsen från det internationella laget visar hur ett experiment som verkar ha gått fel leder till ett genombrott:upptäckten av en ny stabil form av plutonium.

Allt började när Kristina Kvashnina, fysiker från HZDR och baserad på ROBL beamline vid European Synchrotron-ESRF (en beamline som ägs och drivs av HZDR), och hennes team försökte skapa nanopartiklar av plutoniumdioxid med hjälp av olika prekursorer som skulle studeras vid ROBL. När de använde Pu (VI)-prekursorn, de insåg att en märklig reaktion ägde rum under bildningen av plutoniumdioxidnanopartiklarna. "Varje gång vi skapar nanopartiklar från de andra prekursorerna Pu(III), (IV) eller (V) reaktionen är mycket snabb, men här såg vi ett konstigt fenomen halvvägs, " förklarar Kvashnina. Hon tänkte att det måste vara Pu (V), femvärt plutonium, en aldrig observerad-före form av elementet, efter att ha gjort ett högenergiupplösningsfluorescensdetektionsexperiment (HERFD) vid Pu L3-kanten vid ROBL.

"En stabil fas av Pu(V)! - nej, det är omöjligt, det finns inte, syntesen måste ha gått fel, " sa teamet av kemister, från Moscow State University när de tittade på uppgifterna. "Kemister var i fullständig misstro, men resultatet var ganska tydligt, " tillägger Kvashnina.

Det enda sättet att vara säker på existensen av denna femvärda förening skulle vara att bekräfta den med HERFD vid Pu M4-kanten. Kvashnina förklarar:"Vårt val av strållinje var enkel:ESRF-ID26 strållinje, eftersom det är det bästa stället, angående intensitet och energiupplösning, där sådana högenergiupplösta röntgenabsorptionsspektroskopistudier vid låga energier kan göras. Faktum är att Pu M4 edge HERFD-experimentet gjordes vid ID26 för första gången. Som vi förstår det, HERFD-data vid Pu M4-kanten har aldrig rapporterats i litteraturen och har aldrig utnyttjats."

Experimenten bekräftade det ursprungliga antagandet, och en upprepning tre månader senare visade till och med fasens långsiktiga stabilitet. På samma gång, teoretiker i Sverige var upptagna med att komma med förutsägelser om Pu M4-kantspektrala egenskaper, och teoretiker från ROBL identifierade arterna i den nya fasen. Till slut kom allt ihop och den nya Pu (V)-fasen bekräftades.

Många forskare arbetar med att förutsäga vad som händer med kärnavfallet om miljoner år. "Det är en svår uppgift och endast teoretiska förutsägelser är möjliga, men existensen av denna nya Pu(V) fasta fas, som är stabil, kommer att behöva beaktas från och med nu. Det kommer att förändras, Säkert, de teoretiska förutsägelserna av plutoniumbeteende i miljön under en period av miljoner år, avslutar Kvashnina.