عندما تنفجر قنبلة نووية أو يقوم مفاعل بأفضل تقليد لها، ينطلق انفجار هائل من الطاقة في أقل من جزء من المليون من الثانية. تعمل الحرارة الشديدة على تبخير الهواء والمواد القريبة فورًا، مما يخلق سحابة متوسعة ومتوهجة من الغاز والبلازما. مع نمو كرة النار النووية هذه، تختلط بالغلاف الجوي المحيط، وتبرد، وتتكثف في النهاية إلى جسيمات صلبة صغيرة تصبح التساقط النووي - أقل قصاصات الورق ترحيبًا في الطبيعة.
يدرس العلماء كيفية تشكل التساقط لأنه يمكن أن يوفر أدلة قيمة حول ما حدث أثناء حدث نووي ويساعد في تحسين النماذج المستخدمة لتقييمات السلامة. في دراسة جديدة نُشرت في مجلة Analytical Chemistry، حقق باحثون في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) في كيفية تصرف اليورانيوم والسيريوم والسيزيوم أثناء تبخرها وتفاعلها كيميائيًا وتكثفها تحت ظروف درجة حرارة مضبوطة بعناية. تشير نتائجهم إلى أن بعض نماذج التساقط المستخدمة على نطاق واسع قد تتجاهل تفاعلات كيميائية مهمة تحدث أثناء تشكل الجسيمات - لأنه لماذا يكون شيء بسيط مثل كرة نار نووية بسيطًا؟
قالت العالمة في LLNL ومؤلفة الدراسة راكيا ضاوي: "تغيير مدة بقاء المواد في درجة حرارة عالية يمكن أن يغير التفاعلات الكيميائية وكيفية دمج العناصر المتطايرة مثل السيزيوم في الجسيمات. تحتفظ هذه الجسيمات بسجل لكيفية تشكلها. من خلال دراسة هذه العمليات في نظام مضبوط، يمكننا استبدال الافتراضات بالقياسات، وتحسين النماذج المستخدمة لتفسير الحطام النووي، ودعم اتخاذ القرار عندما يكون الأمر أكثر أهمية."
للتحقيق في هذه العمليات، استخدم الفريق مفاعل تدفق بلازما مصممًا لمحاكاة جزء من البيئة داخل كرة نار نووية. تم إدخال مجموعات محددة من المواد في بلازما عالية الحرارة، حيث تم تبخيرها. ثم انتقل البخار الناتج عبر أنبوب يمكن فيه التحكم في درجات الحرارة بعناية أثناء تبريد المادة. سمح الإعداد للباحثين بتعريض المواد لسيناريوهين مختلفين للتبريد، يُعرفان بالتاريخ الحراري: في أحدهما، انخفضت درجات الحرارة تدريجيًا؛ وفي الآخر، بقيت المواد ساخنة لفترة أطول قبل التبريد السريع. نظرًا لأن المفاعل يعمل بشكل مستمر، يمكن جمع العينات في مواقع متعددة، مما سمح للعلماء بمراقبة كيفية تغير الجسيمات أثناء تشكلها - مثل إعادة عرض بطيء لحدث نهاية العالم.
قالت ضاوي: "تشير دراسات التساقط التاريخية إلى أن المسار الذي تسلكه المواد أثناء تبريدها مهم. يمكن أن يغير معدل التبريد والوقت عند درجة حرارة مرتفعة التخصص الكيميائي وتكوين الجسيمات."
اختار الباحثون اليورانيوم والسيريوم والسيزيوم لأن كلًا منهم يتصرف بشكل مختلف أثناء التكثف. اليورانيوم أقل تطايرًا نسبيًا ويتكثف مبكرًا في العملية، مما يجعله معيارًا مفيدًا. السيريوم، الذي يُستخدم غالبًا كبديل للبلوتونيوم، تكثف بشكل مشابه لليورانيوم. ومع ذلك، أظهر كلاهما تغيرات في كيميائهما اعتمادًا على التاريخ الحراري الذي تعرضا له. تصرف السيزيوم بشكل مختلف تمامًا: فقد تكثف في وقت متأخر جدًا عن العناصر الأخرى، وعندما بقي في درجات حرارة عالية لفترات أطول، اختلط بشكل أكبر بكثير مع اليورانيوم والسيريوم.
تشير النتائج إلى أن تكوين التساقط لا يعتمد فقط على وقت تكثف العناصر المختلفة، ولكن أيضًا على كيفية تفاعلها كيميائيًا مع بعضها البعض مع انخفاض درجات الحرارة. تعالج العديد من نماذج التساقط الحالية المواد بشكل أساسي كما لو كانت تتصرف بشكل مستقل، مما يعني أن بعض هذه التفاعلات الكيميائية ممثلة جزئيًا فقط - وهو إغفال قد يكون مهمًا إذا كنت تحاول التنبؤ بمكان هبوط الجسيمات المشعة.
من خلال عزل تأثيرات التاريخ الحراري في نظام تجريبي مضبوط، أنشأ الباحثون بيانات يمكن استخدامها لتقييم وتحسين نماذج التساقط التي اعتمدت لفترة طويلة على افتراضات مبسطة. يخطط الفريق لتوسيع العمل من خلال دراسة مخاليط أكثر واقعية من المواد، بهدف التقاط التعقيد الكامل لتكوين التساقط النووي بشكل أفضل.