Complessi di attinidi per il trattamento e smaltimento di scorie nucleari?

Rinaldo Cervellati.

Come noto, l’Italia interruppe l’utilizzo dell’energia nucleare per la trasformazione in energia elettrica con il referendum del 1987, ribadito nel 2011, dopo un dibattito sull’eventuale reintroduzione di impianti elettronucleari [1].

Tuttavia la “corsa al nucleare” non si è mai fermata in altre nazioni come riportato in una indagine del 2011, secondo la quale le centrali nucleari attive nel pianeta sono 442, di cui 148 in Europa [2].

La stessa indagine ci informa che il primato mondiale per numero di reattori nucleari in funzione spetta agli Stati Uniti con 104, seguiti da Francia (58), Giappone (54) e Federazione Russa (32). A distanza si trovano Corea (21), India (20), Gran Bretagna (19), Canada (18), Germania (17), Ucraina (15), Cina (13), Svezia (10). Al di sotto si trovano: Spagna (9), Belgio (7), Repubblica Ceca e Taiwan (6 ciascuno) e Svizzera (5). Chiudono l’elenco Finlandia, Ungheria e Slovacchia (4 reattori ciascuno), Argentina, Brasile, Bulgaria, Messico, Pakistan, Romania e Sudafrica (2). Ai reattori già attivi ne vanno aggiunti 65 in fase di costruzione. La terza generazione è al nastro di partenza in Europa, con una centrale in Finlandia e una in Francia, e inoltre in Cina, Giappone e Corea.

Preoccupante è il dato che i reattori attivi hanno un’età media compresa fra 24 e 31 anni. Dei 442 attivi, 33 stanno funzionando da 27 anni e 32 da 26 [2].

Accanto ai problemi sulla sicurezza degli impianti, non solo quella intrinseca, ma anche quella estrinseca, per esempio terremoti o altri estremi eventi atmosferici, c’è l’altrettanto grave problema del trattamento del combustibile nucleare esausto, le tristemente note “scorie nucleari”.

A questo proposito, Sam Lemonik, sul numero del 9 aprile scorso (aggiornato il 14) di Chemistry & Engineering news, riporta la notizia che i legami chimici in alcuni complessi degli elementi del gruppo degli attinidi[1] potrebbero migliorare la gestione delle scorie nucleari (New bonds predicted in actinide complexes – Phi and delta orbital interactions could improve nuclear waste management., C&EN news, 98, 14).

Una delle maggiori sfide nella gestione delle scorie nucleari consiste nella separazione degli elementi pesanti che si formano durante la reazione di fissione.

La scienziata e chimico teorico Ping Yang[2], insieme ai suoi colleghi del Los Alamos National Laboratory, hanno stabilito che i legami delta e phi nei metallocicli degli attinidi possono modificare la forza dei legami metallo-ligando in un modo che potrebbe consentire ai chimici di separare gli elementi attinidi da altri metalli pesanti [3].

Ping Yang

I legami delta e phi sono legami covalenti che coinvolgono rispettivamente quattro e sei lobi orbitali[3]. È noto che si verificano tra metalli e ligandi, ma tutti gli esempi precedenti sembravano molto diversi. Questi coinvolgono entrambi i lobi degli orbitali p del ligando sovrapponendosi alla forma a ventaglio degli orbitali f del metallo, oppure si sovrappongono da un lobo all’altro.

Negli ultimi anni, altri ricercatori hanno sintetizzato complessi  metallociclici di torio e uranio che collocano gli atomi di metallo e ligando sullo stesso piano, consentendo alle estremità degli orbitali del metallo di incontrare i lati degli orbitali del ligando (end to side), oppure per gli orbitali atomici f e p di incontrarsi fianco a fianco (side to side), in accordo con i calcoli del gruppo di Yang.

Per comprendere l’effetto di questo nuovo tipo di legame sulle proprietà di tali composti, Yang e collaboratori hanno simulato gli stessi complessi metallociclici con gli elementi attinidi protattinio, nettunio e uranio (figura 1).

Figura 1. I metallocicli consentono interazioni orbitali delta e phi end-to-side (sinistra) e side-to-side (destra) Credit: Morgan Kelley and Ivan Popov

Poiché i raggi atomici degli attinidi diventano più piccoli spostandosi da sinistra a destra attraverso il gruppo(v. nota 1), le lunghezze dei legami metallo-ligando nei complessi degli attinidi diminuiscono in genere con l’aumentare del numero atomico. Ma i ricercatori hanno scoperto che queste nuove interazioni delta e phi invertono questa tendenza. Ad esempio, in un complesso ciclopropenico, la distanza tra il protattinio e l’atomo di carbonio più vicino è 2,26 Å, ma sostituendo il plutonio la distanza aumenta a 2,34 Å.

Yang spiega che i legami più o meno lunghi indicano interazioni metallo-ligando più forti o più deboli nei diversi complessi. Ritiene che la messa a punto di questi nuovi legami delta e phi potrebbe aiutare i chimici a legare preferenzialmente determinati elementi, obiettivo che lei e il suo gruppo perseguono da molto tempo in vista di gestire la separazione dei metalli nelle scorie nucleari. Sottolinea inoltre che, poiché i legami phi e delta sembrano essere possibili solo con gli orbitali 5f e non nei 4f a causa delle dimensioni più grandi dei 5f, si potrebbero separare gli attinidi dai  lantanidi, che possono essere contenuti nel materiale nucleare. “Se utilizziamo questa chimica in modo intelligente, potremmo progettare alcuni ligandi per migliorare la separazione nella gestione delle scorie”, afferma Yang.

Rebecca Abergel, scienziata nucleare dell’Università della California a Berkeley e del Lawrence Berkeley National Laboratory, afferma che la ricerca potrebbe aiutare in “aree problematiche di vecchia data tra cui separazione, ricondizionamento e gestione delle scorie”.

Rebecca Abergel

Il suo collega LBNL, Stefan Minasian, afferma che i chimici potrebbero persino usare queste interazioni per creare legami attinide-attinide, che finora esistono solo in teoria.

Yang dice che non vede l’ora di vedere i chimici sperimentali sintetizzare i composti con i nuovi legami delta e phi.

Tuttavia, a nostro avviso il problema delle scorie nucleari accumulatesi nei decenni (e stoccate chissà dove…) sarà praticamente impossibile da risolvere.

Bibliografia

[1] https://it.wikipedia.org/wiki/Energia_nucleare_in_Italia

[2]https://www.ansa.it/scienza/notizie/rubriche/energia/2011/04/13/visualizza_new.html_902468013.html

[3] M.P. Kelley et al., δ and φ back-donation in AnIV metallacycles., Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038 / s41467-020-15197-w

[1] Fra gli attinidi vi sono gli elementi transuranici con numero atomico da 93 (nettunio, simbolo Np) a 103 (laurenzio, simbolo Lr). Appartengono agli attinidi anche il capostipite attinio (Ac) e torio (Th), praseodimio (Pa) e uranio (U).

[2] Ping Yang è stata nominata vicedirettore del G.T. Seaborg Institute for Transactinium Science, al Los Alamos National Laboratory.

[3] I legami delta (legami δ) sono legami chimici covalenti, in cui quattro lobi di un orbitale atomico coinvolto si sovrappongono a quattro lobi dell’altro orbitale atomico. Questa sovrapposizione porta alla formazione di un orbitale molecolare con due piani nodali che contengono l’asse internucleare e coinvolge entrambi gli atomi. La notazione δ fu introdotta da Robert Mulliken nel 1931. Il primo composto identificato come avente un legame δ fu ottaclorodirenato di potassio (III) K2 [Re2Cl8] nel 1965 da Frank Albert Cotton (1930-2007). I legami phi (legami φ) sono legami chimici covalenti, in cui sei lobi di un orbitale atomico coinvolto si sovrappongono a sei lobi dell’altro orbitale atomico. Questa sovrapposizione porta alla formazione di un orbitale molecolare con tre piani nodali che contengono l’asse internucleare e coinvolge entrambi gli atomi. Fino al 2020, nessuna molecola era nota per avere sicuramente legami phi.

2 pensieri su “Complessi di attinidi per il trattamento e smaltimento di scorie nucleari?

  1. Lavoro meritevole finchè ci saranno centrali nucleari in fuzione, ma non sarebbe meglio smettere di produrre energia per mezzo di reazioni nucleari di fissione?
    Ricordiamo i recenti contributi del prof. Campanella (Non tutto il male vien per nuocere) o del Prof. Balzani (Un provvidenziale ultimo avviso) che evidenziano l’ineludilibilità dell’applicazione dei principi dello sviluppo sostenibile. Il nucleare è tutto fuorchè sostenibile: di sicuro è costoso e pericoloso.

    • Come redazione siamo completamente d’accordo; l’autore lo ha scritto a chiare lettere sotto al testo; diciamo che ci sentiamo obbligati a mantenerci aggiornati e mantenere aggiornati i nostri lettori

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