La “Molecola Trofeo” potrebbe rivoluzionare l’industria nucleare

Alcuni ricercatori hanno creato una versione stabile di una “molecola trofeo” che per decenni ha eluso gli scienziati e potrebbe portare alla produzione di energia nucleare pulita.

Scrivendo sulla rivista Science, il team, composto da scienziati delle università di Nottingham e Manchester nel Regno Unito, dimostra che si può preparare un composto terminale di uranio nitruro che è stabile a temperatura ambiente. Inoltre, dimostrano che il composto può essere immagazzinato in vasi in forma di polvere o cristalli.

Lo studio è stato supportato in parte dal progetto UNCLE (“Uranium in non-conventional ligand environments”), finanziato dall’UE, che ha ricevuto una sovvenzione Starting Grant di 999.996 euro dal Consiglio europeo della ricerca (CER).

I ricercatori riferiscono che la scoperta potrebbe avere implicazioni future per l’industria dell’energia nucleare, in quanto i materiali di nitruro di uranio possono potenzialmente essere una valida alternativa agli attuali combustibili di ossidi misti utilizzati nei reattori nucleari, dal momento che i nitruri presentano alte densità, e punti di fusione e conducibilità termica superiori. Inoltre, il processo che gli scienziati hanno utilizzato per creare il composto potrebbe offrire un percorso più pulito a temperatura inferiore rispetto ai metodi attualmente utilizzati.

I precedenti tentativi di preparare tripli legami uranio-azoto hanno richiesto temperature fino a 5 Kelvin (-268 Celsius) – circa la temperatura equivalente dello spazio interstellare – ed è pertanto stata difficile la lavorazione e manipolazione, che richiede attrezzature specialistiche e tecniche.

I nitruri di uranio sono di solito preparati tramite la miscelazione di diazoto o ammoniaca con l’uranio a temperature e pressioni elevate. Sfortunatamente, tuttavia, le condizioni estreme di reazione utilizzate nella preparazione introducono impurità che sono difficili da rimuovere, dicono i ricercatori. Negli ultimi anni gli scienziati hanno quindi concentrato la loro attenzione sull’utilizzo di metodi molecolari a bassa temperatura; ma tutti i tentativi precedenti sembrano aver eluso, piuttosto che affrontato l’obiettivo: i nitruri.

Il metodo utilizzato in questo studio ha coinvolto l’utilizzo di un legante (una molecola organica legata a un metallo) dell’azoto molto “ingombrante” da avvolgere attorno al centro dell’uranio e creare una tasca protettiva per contenere il nitruro di azoto. Il nitruro è stato stabilizzato durante la sintesi dalla presenza di un catione sodio debolmente legato (ione positivo) che ha impedito al nitruro di reagire con altri elementi. Nella fase finale, il sodio è stato gentilmente allontanato, rimuovendolo dalla struttura e lasciando il triplo legame stabile nitruro di uranio finale.

Il dottor Stephen Liddle dell’Università di Nottingham commenta: “Il bello di questo lavoro sta nella sua semplicità. Incapsulando il nitruro di uranio con un legante molto ingombrante di sostegno, stabilizzando il nitruro durante la sintesi con il sodio e poi sequestrando il sodio in condizioni blande, abbiamo potuto infine isolare il legame nitruro di uranio finale.

“Una motivazione importante per realizzare questo lavoro è stata la voglia di comprendere la natura e la portata della covalenza nella sintesi chimica dell’uranio. Questo è fondamentalmente interessante e importante perché potrebbe aiutare nel lavoro per estrarre e separare il 2-3% di materiale altamente radioattivo dai rifiuti nucleari.”

Il professor Eric McInnes, dell’Università di Manchester aggiunge che la spettroscopia a risonanza paramagnetica elettronica (EPR), la tecnica utilizzata dal team per studiare materiali con elettroni spaiati, “può fornire informazioni dettagliate circa l’ambiente locale degli elettroni spaiati e questo può essere usato per comprendere la struttura elettronica dello ione uranio in questo nuovo nitruro”.

“Sembra che il nuovo nitruro si comporti diversamente dai materiali altrimenti analoghi e ciò potrebbe avere implicazioni importanti nel campo della chimica degli attinidi, che è di vitale importanza tecnologica e ambientale nel ciclo del combustibile nucleare”, conclude.

Per maggiori informazioni, visitare:

Università di Nottingham:
http://www.nottingham.ac.uk