Advances in spent nuclear fuel recycling: new insight on sustainable hydrophilic ligands for the selective americium separation

In recent years, efforts to advance nuclear fuel cycles have aimed to mitigate the long-term hazards of radioactive waste. Significant progress has been made in developing methods to extract transuranium elements from spent nuclear fuel (SNF), particularly through hydrometallurgical processes. Isolating minor actinides is key to recycling SNF and reducing long-term radiotoxicity, especially due to americium’s long half-life. However, challenges arise from high neutron dose rates and heat loads from short-lived curium isotopes, complicating the fabrication of new nuclear fuel containing both Cm(III) and Am(III). Therefore, developing processes that selectively recover Am(III) from PUREX raffinate is essential. This is achieved by coextracting An(III) and Ln(III) with a diglycolamide (TODGA), followed by selective stripping of Am(III) using triazinyl-bipyridine (SO3-Ph-BTBP), achieving a separation factor of 2,5 for Cm(III) over Am(III). The use of molecules exclusively based on C, H, O and N (CHON) has become increasingly important due to the necessity of simplifying oxide production for fuel fabrication. In this work, the synthesis, characterization, and testing of two CHON triazolyl-bipyridine derivatives (referred to as PrDOH-BTzBP and BEE-BTzBP) featuring a soft-donor electronic configuration similar to SO3-Ph-BTBP but with modified side chains for improved solubility are presented. The synthesis was performed using a click reaction, following a three-step process, which resulted in a good yield and high purity of the final product. Extraction tests showed that PrDOH-BTzBP, despite solubility issues, achieved consistent separation factors for Am(III) and Cm(III) (around 2,1). In contrast, BEE-BTzBP exhibited good solubility but lower extraction efficiency, with modest selectivity for Cm(III) over Am(III), ranging from 1,6 to 1,9. These experimental results highlight the potential of these CHON-compliant hydrophilic ligands to improve selective separation of Am(III), contributing to more sustainable and industrially viable nuclear fuel cycles.

Negli ultimi anni, gli sforzi volti a ottimizzare il ciclo del combustibile nucleare si sono intensificati per mitigare i rischi a lungo termine dei rifiuti radioattivi. Sono stati compiuti progressi significativi nello sviluppo di metodi per estrarre elementi transuranici dal combustibile nucleare esausto (SNF), soprattutto tramite processi idrometallurgici. L'isolamento degli attinidi minori è cruciale per riciclare lo SNF e ridurne la radiotossicità a lungo termine, in particolare attribuibile alla lunga emivita dell'americio. Tuttavia, alcune delle difficoltà che complicano la fabbricazione di nuovo combustibile nucleare con Cm(III) e Am(III) derivano dalle alte dosi neutroniche e dal carico termico degli isotopi a vita breve del curio. È quindi fondamentale sviluppare processi che separino selettivamente Am(III) dal raffinato PUREX. Questo si ottiene coestraendo An(III) e Ln(III) con una diglicolamide (TODGA), seguito dallo stripping selettivo di Am(III) utilizzando triazinil-bipiridina (SO3-Ph-BTBP), ottenendo una fattore di separazione di 2,5 per Cm(III) su Am(III). L'uso di molecole costituite esclusivamente da C, H, O e N (CHON) è diventato d'importanza sempre maggiore per la necessità di semplificare la produzione di combustibile con americio. In questo lavoro vengono presentati sintesi, caratterizzazione e test di due derivati CHON della triazolil-bipiridina (PrDOH-BTzBP e BEE-BTzBP), con configurazione soft donor simile a quello della SO3-Ph-BTBP, ma con catene laterali modificate per migliorarne la solubilità. I test mostrano che PrDOH-BTzBP, nonostante scarsa solubilità, ha ottenuto fattori di separazione tra Cm(III) e Am(III) di circa 2,1. Invece, BEE-BTzBP ha mostrato una buona solubilità ma una minore efficienza di estrazione, con selettività modesta per Cm(III) rispetto a Am(III), tra 1,6 e 1,9. Questi risultati evidenziano il potenziale di questi leganti CHON idrofili per migliorare la separazione selettiva di Am(III), contribuendo a cicli del combustibile nucleare più sostenibili e industrialmente realizzabili.