طفرة في بحوث الكيمياء يمكنها أن تحسن تقنيات إعادة تدوير النفايات النووية

نجح فريق من الباحثين بجامعة مانشستر في تحقيق إنجاز مهم من خلال وصف النماذج الكمية للتركيب الإلكتروني لعائلة من مركبات نيتريد اليورانيوم – وهي العملية التي يمكنها أن تساعد مستقبلا في تقنيات إعادة تدوير النفايات النووية. وقد نشرت هذه الدراسة في المجلة الرائدة متعددة التخصصات Nature Communications.

وقال الأستاذ ستيف ليدل، رئيس قسم الكيمياء غير العضوية والمدير المساعد لمركز أبحاث الكيمياء الإشعاعية في جامعة مانشستر “في هذا العصر النووي، هناك حاجة ملحة لتحسين عوامل الاستخراج لفصل النفايات النووية وإعادة تدويرها.”

“ولتحقيق ذلك، يجب أن نفهم جيداً التركيب الالكتروني لمركبات الأكتينيد لأنّ هذا يؤثر على كيفية تفاعل هذه العناصر مع عوامل الاستخراج. ومع ذلك، فإنّ التحديد الكمي للتركيب الإلكتروني لهذه العناصر في الجزيئات يشكل تحدياً كبيراً لأنّ هناك العديد من الآثار الإلكترونية المعقدة المهمة جداً ولها حجم مماثل لبعضها البعض مع العناصر الثقيلة، وهذا ما يجعل عملية النمذجة معقدة للغاية وأكثر صعوبة مقارنة بالعناصر الأخرى التي تتم دراستها بشكل روتيني مثل الفلزات الانتقالية. وهذا يعني أنّ الأوصاف التقليدية للتركيب الإلكتروني لعناصر الأكتينيدات غالباً ما تكون ذات طبيعة نوعية – ولكن هذه المنطقة تحديداً هي التي تحتاج إلى النماذج الكمية لأنّ فهمنا للمفاهيم الكيميائية الأساسية يزداد غموضاً كلما اتجهنا لأسفل الجدول الدوري.”

وسبق وأن أشار العديد من أعضاء الفريق إلى نيتريد اليورانيوم ومركبات الأوكسو oxo complexes حيث تكون الجزيئات متماثلة تقريباً باستثناء استبدال ذرة نيتروجين واحدة بذرة أكسجين. وقد أدرك الفريق أنّ تماثل المركبات وحالة الأكسدة لأيونات اليورانيوم تجعلها أنظمة مثالية لتطوير النماذج الكمية.

وأضاف البروفيسور ليدل “ومع ذلك، فإنّ المشكلة هنا هي أنه من أجل الانتقال من الأنظمة النوعية للأنظمة الكمية، هناك حاجة إلى عائلة كبيرة من الجزيئات لجعل الطريقة قوية، ولكن توليفها غير موثوق.”

“لحسن الحظ، نجح الفريق في تحديد وسيلة جديدة وموثوقة لإنتاج مركبات نيتريد اليورانيوم، مما ساعد على تحضير عائلة كبيرة من الجزيئات، التي شكلت المنصة اللازمة لتطوير نموذج كمي قوي من خلالها.”

“مع عائلة مكونة من 15 من مركبات النيتريد والأوكسو، تم تطبيق مجموعة واسعة من أفضل التقنيات المتاحة في مانشستر. وبفضل دراسات المغنطة في درجات الحرارة المتغيرة تمكن الباحثون من الحصول على معلومات أساسية عن بعض أدنى الحالات الالكترونية للجزيئات.

“وبعد ذلك استخدمت مطيافية الرنين المغناطيسي للإلكترون، ومقرها في الخدمة الوطنية في مانشستر، لمواصلة بناء صورة عن أدنى الحالات الإلكترونية.

“وأخيراً، قدمت مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة معلومات عن بقية التركيب الالكتروني بالكامل عن طريق دراسة التحولات الإلكترونية في الحالات الأعلى من تلك التي تم بحثها بالتقنيتين السابقتين، ومن أجل الخروج بمعنى لهذا الكم الكبير من البيانات التجريبية استخدمت حسابات منذ البدء ab initio calculations متقدمة لبناء صورة تقريبية للتركيب الالكتروني لهذه المركبات، ثم تم تحسينها باستخدام البيانات التي تم الحصول عليها تجريبيا لتوفير صورة كمية نهائية للتركيب الالكتروني.”

المصادر:

King, DM., & et al. Molecular and electronic structure of terminal and alkali metal-capped uranium(V) nitride complexes. Nature Communications 7, Article number: 13773 (2016) doi:10.1038/ncomms13773

Chemistry research breakthrough could improve nuclear waste recycling technologies. Retrieved January 6, 2017, from https://www.manchester.ac.uk/discover/news/chemistry-research-breakthrough-that-could-improve-nuclear-waste-recycling-technologies/