核兵器が爆発するか、原子炉がその真似事をするとき、100万分の1秒足らずで莫大なエネルギーが放出される。極度の熱は瞬時に周囲の空気や物質を蒸発させ、ガスとプラズマの輝く膨張する雲を作り出す。この核の火球が成長するにつれ、周囲の大気と混ざり合い、冷えて、最終的に微細な固体粒子に凝縮する。それが核フォールアウトだ——自然界で最も歓迎されない紙吹雪である。
科学者たちはフォールアウトがどのように形成されるかを研究する。なぜなら、それは核事象で何が起こったかについて貴重な手がかりを提供し、安全評価に使われるモデルの改善に役立つからだ。『Analytical Chemistry』に掲載された新しい研究で、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の研究者たちは、ウラン、セリウム、セシウムが注意深く制御された温度条件下で蒸発し、化学反応し、凝縮する際の挙動を調査した。彼らの発見は、広く使われているフォールアウトモデルのいくつかが、粒子形成時に起こる重要な化学的相互作用を見落としている可能性を示唆している——なぜなら、核火球のように単純なものが単純であるはずがないからだ。
「材料が高温にさらされる時間を変えると、化学反応や、セシウムのような揮発性元素が粒子に取り込まれる方法が変わります」とLLNLの科学者で論文著者のRakia Dhaoui氏は述べた。「これらの粒子は、どのように形成されたかの記録を保存しています。制御されたシステムでこれらのプロセスを研究することで、仮定を測定に置き換え、核デブリの解釈に使われるモデルを改善し、最も重要な時に意思決定を支援できます。」
これらのプロセスを調査するため、チームは核火球内部の環境の一部を模倣するように設計されたプラズマフローリアクターを使用した。特定の材料の組み合わせが高温プラズマに導入され、そこで蒸発された。得られた蒸気は、材料が冷えるにつれて温度を注意深く制御できる管を通って移動した。この装置により、研究者は材料を2つの異なる冷却シナリオ（熱履歴として知られる）にさらすことができた。1つでは温度が徐々に低下し、もう1つでは材料が長時間高温に保たれた後、急速に冷却された。リアクターは連続的に動作するため、複数の場所でサンプルを収集でき、科学者は粒子が形成されるにつれてどのように変化するかを観察できた——まるで終末的な出来事のスローモーション再生のように。
「歴史的なフォールアウト研究は、材料が冷える際の経路が重要であることを示しています」とDhaoui氏は述べた。「冷却速度と高温での時間は、化学種分化と粒子形成を変える可能性があります。」
研究者たちは、ウラン、セリウム、セシウムを選択した。それぞれ凝縮時に異なる挙動を示すからだ。ウランは比較的揮発性が低く、プロセスの早い段階で凝縮するため、有用な基準となる。プルトニウムの代用としてよく使われるセリウムは、ウランと同様に凝縮した。しかし、両方とも経験した熱履歴に応じて化学的性質の変化を示した。セシウムは非常に異なる挙動を示した。他の元素よりもはるかに遅く凝縮し、高温に長時間さらされると、ウランやセリウムとより広範囲に混合した。
結果は、フォールアウトの形成は異なる元素がいつ凝縮するかだけでなく、温度が下がるにつれて互いにどのように化学的に相互作用するかにも依存することを示している。多くの既存のフォールアウトモデルは、主に材料が独立して振る舞うかのように扱っており、これらの化学反応の一部は部分的にしか表現されていない——放射性粒子がどこに降下するかを予測しようとする場合、この見落としが重要になる可能性がある。
制御された実験システムで熱履歴の影響を分離することにより、研究者は長い間単純化された仮定に依存してきたフォールアウトモデルを評価し改善するために使用できるデータを生成した。チームは、より現実的な材料混合物を研究することで研究を拡大し、複雑さをよりよく捉えることを目指している。