핵무기가 폭발하거나 원자로가 그런 짓을 하려고 할 때, 100만 분의 1초도 안 되는 시간에 엄청난 에너지가 방출된다. 극심한 열기가 주변 공기와 물질을 순간적으로 증발시켜 빛나는 가스와 플라스마 구름을 팽창시킨다. 이 핵 불덩이가 자라면서 주변 대기와 섞이고, 식으면서 결국 작은 고체 입자로 응축되어 핵 낙진이 된다. 자연이 선사하는 가장 달갑지 않은 색종이 조각이다.

과학자들은 낙진이 어떻게 형성되는지 연구하는데, 이는 핵 사건 동안 무슨 일이 일어났는지에 대한 귀중한 단서를 제공하고 안전 평가에 사용되는 모델을 개선하는 데 도움이 되기 때문이다. 《Analytical Chemistry》에 발표된 새로운 연구에서 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL) 연구진은 우라늄, 세륨, 세슘이 기화하고 화학 반응을 일으키며 통제된 온도 조건에서 응축되는 방식을 조사했다. 그들의 발견은 널리 사용되는 일부 낙진 모델이 입자가 형성될 때 발생하는 중요한 화학적 상호작용을 간과할 수 있음을 시사한다. 핵 불덩이처럼 단순한 것이 왜 간단해야 하겠는가?

"물질이 고온에 머무는 시간을 바꾸면 화학 반응과 세슘 같은 휘발성 원소가 입자에 포함되는 방식이 달라질 수 있습니다,"라고 LLNL 과학자이자 저자인 Rakia Dhaoui가 말했다. "이 입자들은 어떻게 형성되었는지에 대한 기록을 보존합니다. 통제된 시스템에서 이러한 과정을 연구함으로써 가정을 측정으로 대체하고, 핵 잔해를 해석하는 데 사용되는 모델을 개선하며, 가장 중요한 순간에 의사 결정을 지원할 수 있습니다."

이 과정을 조사하기 위해 연구팀은 핵 불덩이 내부 환경의 일부를 모방하도록 설계된 플라즈마 흐름 반응기를 사용했다. 특정 물질 조합을 고온 플라즈마에 도입하여 기화시켰다. 생성된 증기는 물질이 냉각됨에 따라 온도를 신중하게 제어할 수 있는 관을 통과했다. 이 장치를 통해 연구자들은 두 가지 다른 냉각 시나리오, 즉 열 이력에 물질을 노출시킬 수 있었다. 하나는 온도가 점차 감소하는 경우였고, 다른 하나는 물질이 더 오랜 기간 고온을 유지한 후 급속히 냉각되는 경우였다. 반응기가 연속적으로 작동하기 때문에 여러 위치에서 샘플을 수집할 수 있었고, 과학자들은 입자가 형성됨에 따라 어떻게 변화하는지 관찰할 수 있었다. 마치 종말론적 사건의 슬로우 모션 재생처럼.

"역사적 낙진 연구는 물질이 냉각되는 경로가 중요하다는 것을 나타냅니다,"라고 Dhaoui가 말했다. "냉각 속도와 고온에서의 시간은 화학적 종류와 입자 형성을 변화시킬 수 있습니다."

연구자들은 각각 응축 중에 다르게 행동하기 때문에 우라늄, 세륨, 세슘을 선택했다. 우라늄은 상대적으로 덜 휘발성이며 과정 초기에 응축되어 유용한 기준점이 된다. 플루토늄의 대용으로 자주 사용되는 세륨은 우라늄과 유사하게 응축되었다. 그러나 둘 다 경험한 열 이력에 따라 화학적 변화를 보였다. 세슘은 매우 다르게 행동했다: 다른 원소들보다 훨씬 늦게 응축되었고, 더 오랜 기간 고온에 머물렀을 때 우라늄 및 세륨과 훨씬 더 광범위하게 혼합되었다.

결과는 낙진 형성이 다른 원소들이 응축하는 시기뿐만 아니라 온도가 내려감에 따라 서로 화학적으로 상호작용하는 방식에도 의존한다는 것을 나타낸다. 많은 기존 낙진 모델은 주로 물질이 독립적으로 행동하는 것처럼 취급하는데, 이는 이러한 화학 반응 중 일부가 부분적으로만 표현된다는 것을 의미한다. 방사성 입자가 어디에 떨어질지 예측하려고 할 때 중요한 간과일 수 있다.

통제된 실험 시스템에서 열 이력의 영향을 분리함으로써 연구자들은 오랫동안 단순화된 가정에 의존해 온 낙진 모델을 평가하고 개선하는 데 사용할 수 있는 데이터를 생성했다. 팀은 더 현실적인 물질 혼합물을 연구하여 핵 사건 후 입자 형성의 복잡성을 더 잘 포착하는 것을 목표로 작업을 확장할 계획이다.