Wenn eine Atomwaffe explodiert oder ein Reaktor sein Bestes gibt, einen nachzuahmen, wird in weniger als einer Millionstel Sekunde eine gewaltige Energiemenge freigesetzt. Die extreme Hitze verdampft sofort die umgebende Luft und Materialien und erzeugt eine leuchtende, sich ausbreitende Wolke aus Gas und Plasma. Während dieser nukleare Feuerball wächst, vermischt er sich mit der umgebenden Atmosphäre, kühlt ab und kondensiert schließlich zu winzigen festen Partikeln, die zum nuklearen Fallout werden – dem unwillkommensten Konfetti der Natur.
Wissenschaftler untersuchen, wie Fallout entsteht, weil es wertvolle Hinweise darauf geben kann, was während eines nuklearen Ereignisses passiert ist, und dazu beitragen kann, Modelle zu verbessern, die für Sicherheitsbewertungen verwendet werden. In einer neuen Studie, die in Analytical Chemistry veröffentlicht wurde, untersuchten Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), wie sich Uran, Cer und Cesium verhalten, wenn sie unter sorgfältig kontrollierten Temperaturbedingungen verdampfen, chemisch reagieren und kondensieren. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass einige weit verbreitete Fallout-Modelle wichtige chemische Wechselwirkungen übersehen könnten, die bei der Partikelbildung auftreten – denn warum sollte etwas so Einfaches wie ein nuklearer Feuerball simpel sein?
„Die Veränderung der Verweildauer von Materialien bei hohen Temperaturen kann chemische Reaktionen und die Einbindung flüchtiger Elemente wie Cesium in Partikel verändern“, sagte LLNL-Wissenschaftlerin und Autorin Rakia Dhaoui. „Diese Partikel bewahren eine Aufzeichnung ihrer Entstehung. Indem wir diese Prozesse in einem kontrollierten System untersuchen, können wir Annahmen durch Messungen ersetzen, die Modelle zur Interpretation von nuklearem Schutt verbessern und Entscheidungen unterstützen, wenn es darauf ankommt.“
Um diese Prozesse zu untersuchen, verwendete das Team einen Plasmaströmungsreaktor, der einen Teil der Umgebung in einem nuklearen Feuerball nachbilden sollte. Spezifische Materialkombinationen wurden in ein Hochtemperaturplasma eingebracht, wo sie verdampften. Der entstehende Dampf durchlief dann ein Rohr, in dem die Temperaturen sorgfältig kontrolliert werden konnten, während das Material abkühlte. Der Aufbau ermöglichte es den Forschern, die Materialien zwei verschiedenen Abkühlungsszenarien auszusetzen, die als thermische Verläufe bekannt sind: In einem sanken die Temperaturen allmählich; im anderen blieben die Materialien länger heiß, bevor sie schnell abkühlten. Da der Reaktor kontinuierlich arbeitet, konnten an mehreren Stellen Proben entnommen werden, sodass die Wissenschaftler beobachten konnten, wie sich die Partikel während ihrer Entstehung veränderten – wie eine Zeitlupenwiederholung eines apokalyptischen Ereignisses.
„Historische Fallout-Studien deuten darauf hin, dass der Weg, den Materialien beim Abkühlen nehmen, wichtig ist“, sagte Dhaoui. „Abkühlungsrate und Verweildauer bei erhöhter Temperatur können die chemische Speziation und Partikelbildung verändern.“
Die Forscher wählten Uran, Cer und Cesium aus, weil jedes sich während der Kondensation unterschiedlich verhält. Uran ist relativ weniger flüchtig und kondensierte früh im Prozess, was es zu einem nützlichen Referenzpunkt macht. Cer, oft als Stellvertreter für Plutonium verwendet, kondensierte ähnlich wie Uran. Beide zeigten jedoch Veränderungen in ihrer Chemie in Abhängigkeit vom thermischen Verlauf, dem sie ausgesetzt waren. Cesium verhielt sich ganz anders: Es kondensierte viel später als die anderen Elemente, und wenn es länger hohen Temperaturen ausgesetzt war, vermischte es sich weitaus stärker mit Uran und Cer.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Fallout-Bildung nicht nur davon abhängt, wann verschiedene Elemente kondensieren, sondern auch davon, wie sie chemisch miteinander interagieren, während die Temperaturen sinken. Viele bestehende Fallout-Modelle behandeln Materialien hauptsächlich so, als ob sie sich unabhängig voneinander verhätten, was bedeutet, dass einige dieser chemischen Reaktionen nur teilweise abgebildet werden – ein Versehen, das wichtig sein könnte, wenn man vorhersagen will, wo radioaktive Partikel landen.
Indem sie die Auswirkungen des thermischen Verlaufs in einem kontrollierten experimentellen System isolierten, erzeugten die Forscher Daten, die zur Bewertung und Verbesserung von Fallout-Modellen verwendet werden können, die lange auf vereinfachten Annahmen beruhten. Das Team plant, die Arbeit durch die Untersuchung realistischeren Materialmischungen auszuweiten, mit dem Ziel, die Komplexität besser zu erfassen.