アクチニド結合を支配する電子アクセス性を解明 (Electron Accessibility Controls Actinide Bonding)

2026-08-18 パシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）

米国エネルギー省パシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）の研究チームは、アクチノイド元素の化学結合形成において、電子がどの程度利用可能であるか（電子アクセス性）が結合特性を支配する重要な要因であることを明らかにした。アクチノイドは原子力燃料や放射性廃棄物に含まれる元素群であり、その化学的挙動の理解は核燃料サイクルや環境中での移行予測に不可欠である。本研究では、高度な分光分析と理論計算を組み合わせ、アクチノイドの5f電子が化学結合へどのように関与するかを詳細に解析した。その結果、単に電子数だけでなく、電子が外部原子との相互作用に利用できる度合いが結合強度や共有結合性を決定することが示された。この知見は、従来のアクチノイド化学モデルを発展させるものであり、核燃料再処理、放射性廃棄物管理、新規アクチノイド材料設計に重要な基礎を提供する。研究成果は、重元素の電子構造と化学結合の理解を深めるとともに、原子力関連技術の高度化に貢献すると期待される。

＜関連情報＞

誘導結合プラズマタンデム質量分析法による ThH⁺/UH +反応からのAnO₂⁺結合に関する熱力学的考察
Thermodynamic insight into AnO₂⁺ bonding from ThH⁺/UH⁺ reactions studied by inductively coupled plasma tandem mass spectrometry

Richard M Cox;Amanda R. Bubas;Amanda D. French
Physical Chemistry Chemical Physics Published:22 January 2026
DOI:https://doi.org/10.1039/d5cp04417k

The bonding mechanisms of actinides have been a focus of fundamental research over the past few decades. In the present study, reactions of the simplest actinide-containing species, ThH⁺ and UH⁺, with O₂ and CO₂ are investigated by inductively coupled plasma tandem mass spectrometry. The reactions of ThH⁺ and UH⁺ with O₂ are efficient, and the reactions of ThH⁺ and UH⁺ with CO₂ display reduced reaction efficiencies. For both reactions involving CO₂, ThO₂⁺ and UO₂⁺ are observed; however, there is a clear barrier to ThO₂⁺ formation whereas UO₂⁺ forms through an exothermic, barrierless process. The experimental observations and available thermodynamic information are used to predict the outcomes of reactions involving the later AnH⁺. The anticipated reaction enthalpies for Pa–Am display a clear correlation with the promotion energy of An⁺ to a 6d² electronic configuration, E_p(6d²), although a shift in the slope of the correlation of reaction enthalpies and E_p(6d²) suggests that there is likely a change in bonding mechanism that starts with Np⁺. Similar shifts have also been noted in previous studies. Beginning with Np⁺, the 6d orbitals become less accessible than they are for the earlier An⁺ as measured by E_p(6d²), and this accessibility of the 6d orbitals may drive actinide bonding.