Plutonium je radioaktivní prvek, druhý transuran a aktinoid, s atomovým číslem 94. Zároveň je to od 2. světové války nejčastěji vyráběný umělý prvek. Vyrábí se z uranu v jaderných reaktorech a používá se hlavně pro výrobu jaderných zbraní. Je použitelné i jako palivo pro jaderné reaktory i jako palivo pro radioizotopové termoelektrické generátory.

Mezinárodní tým vědců, který vedli odborníci německého výzkumného centra Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), nedávno během experimentu na synchrotronu ESRF ve francouzském Grenoblu nečekaně objevil novou formu plutonia, ve které je tento prvek v pentavalentním oxidačním stavu. Tato doposud neznámá forma plutonia je v pevném skupenství a je stabilní, přesněji řečeno je termodynamicky metastabilní. Objev okamžitě zaujal odborníky, protože by mohl vylepšit stávající postupy při zpracování a uložení radioaktivního odpadu.

Vědci a inženýři na řadě míst světa pracují na tom, aby zlepšili bezpečnost úložišť jaderného odpadu, především pokud jde o prevenci úniků radioaktivních izotopů do okolního prostředí. Dřívější výzkum ukázal, že právě plutonium může být vyplavováno podzemní vodou a přenášeno na značné vzdálenosti v koloidní formě, která vzniká reakcí plutonia s jílem, oxidy železa anebo přírodní organickou hmotou.

Plutonium je nejvíce vyráběným umělým prvkem. Kredit: CC0 Public Domain.

Tým vedený odborníky HZDR studoval chemii aktinoidů ve vybraných podmínkách prostředí. Postupovali tak, že syntetizovali určité sloučeniny aktinoidů a pak je studovali jejich elektronické a strukturní vlastnosti. Používali k tomu teoretické výpočty a také experimenty s rentgenovým zářením synchrotronu. V jednu chvíli se jim experiment nepovedl a najednou z toho byl průlomový objev.

Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), logo.

Badatelé pracovali synchrotronu ESRF na beamline ROBL (Rossendorf Beamline), což je zařízení, které patří právě centru HZDR. Vytvářeli nanočástice oxidu plutonia a používali k tomu různé prekurzory. Když využili prekurzor, v němž bylo trivalentní, tetravalentní nebo pentavalentní plutonium, tak vždy pozorovali rychlou reakci. S prekurzorem, který obsahoval hexavalentní plutonium Pu(VI), jim to ale nefungovalo podle představ a reakce probíhala podivně.

Rossendorf Beamline (ROBL). Kredit: D. Morel / HZDR.

Postupně vyšlo najevo, že během zmíněné reakce zřejmě vzniká doposud neznámá stabilní forma pentavalentního plutonia. Vědci tomu nejprve nechtěli věřit a považovali to za chybu v experimentu. Nakonec pomocí metody HERFD (high-energy resolution fluorescence detection) na beamline ID26 téhož synchrotronu ESRF ověřili, že takové plutonium skutečně v dané reakci vzniká. Následné experimenty a pozorování potvrdily, že pentavalentní pevné plutonium je stabilní.

V dnešní době se řada odborníků věnuje úvahám o tom, co se stane s jaderným odpadem za milion let. Jde o velmi náročné a komplikované odhady. Teď se ukazuje, že badatelé budou muset brát v úvahu i pentavalentní plutonium v pevné fázi. Vše nasvědčujeme tomu, že se odhady ohledně chování plutonia v řádů milionů let kvůli novému objevu změní.

Literatura
ESFR 18. 10. 2019.