Veertig jaar na de kernramp in Tsjernobyl (nu Chornobyl) liggen er nog steeds microscopisch kleine radioactieve deeltjes verspreid over de omliggende bodem, en het gebied is nog altijd zo radioactief dat betreden beschermende kleding vereist. De explosies die de reactor verwoestten, slingerden enorme hoeveelheden puin de omgeving in, en deeltjes van slechts 8 tot 50 micrometer zijn nog steeds zeer radioactief. Wetenschappers hebben deze piepkleine restanten nu in ongekend detail onderzocht, en ze vonden iets verrassends: sommige hebben ondanks vier decennia van verwering een groot deel van hun oorspronkelijke interne structuur behouden.

"Er zijn drie klassen van deze deeltjes," legt Tobias Weissenborn uit, natuurkundige en promovendus aan de Leibniz Universiteit Hannover. "Ten eerste zijn er deeltjes die chemisch en fysiek nog sterk lijken op de nucleaire brandstof uraniumdioxide. Dan zijn er deeltjes die gedeeltelijk of volledig omhuld zijn door, of volledig versmolten zijn met, hun zirkoniumlaag." Die tweede categorie ontstond in de extreme hitte in de reactor, waar de smeltende brandstof zich vermengde met zirkonium, het zeer resistente metaal dat in de beschermende buitenlaag van de brandstof wordt gebruikt. Het derde type, voegt Weissenborn toe, "ontstond toen de grafietmoderator vlam vatte." Onder normale omstandigheden vertraagt de grafietmoderator snelle neutronen en helpt hij de kettingreactie in stand te houden; tijdens de ramp vatte hij vlam en brandde tien dagen lang. Daarbij oxideerde de brandstof tot verschillende uraniumoxides zoals U3O8 – een vorm die mechanisch fragiel is, gemakkelijk uiteenvalt in microscopische fragmenten en vervolgens door de wind kan worden meegenomen, waar inademing ernstige gezondheidsrisico's oplevert.

Ondanks decennia van onderzoek begrijpen wetenschappers nog steeds niet volledig waarom de deeltjes van Chornobyl in verschillende tempo's afbreken, en naarmate het materiaal verweert, kan het verschillende vormen van uraniumoxide produceren, waardoor het langetermijngedrag moeilijk te voorspellen is. Om dat te doorgronden is apparatuur van uitzonderlijke precisie nodig, waaronder synchrotron-röntgendiffractie, die onthult hoe atomen in kristallijne materialen zijn gerangschikt. Dr. Christoph Hennig, kristallograaf bij het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), heeft nu de eerste succesvolle structuuranalyse van dit soort radioactieve fragmenten voltooid bij de Rossendorf Beamline in Grenoble.

Samen met Weissenborn analyseerde Hennig zes deeltjes die uit de regio Chornobyl waren teruggevonden, en identificeerde hun verschillende kristallijne fasen om te leren hoe snel radioactieve stoffen in het milieu zouden kunnen vrijkomen. "De collega's uit Hannover en ik gebruikten verschillende methoden om de deeltjes uit Oekraïense bodemmonsters te isoleren en ze aan wolfraamelektroden te bevestigen," zegt Weissenborn. Omdat de monsters zeer radioactief waren, moesten ze in meerdere lagen insluiting worden verzegeld voordat ze naar Grenoble werden vervoerd, waar Hennigs team röntgendiffractie gebruikte om hun interne structuren te onderzoeken door te meten hoe röntgenstralen werden verstrooid terwijl ze door het materiaal gingen. "Eerst moesten we uitzoeken hoe we de deeltjesstructuur konden onderzoeken," legt Hennig uit. "Uiteindelijk hebben we de deeltjes volledig geroteerd in een röntgenbundel die was gefocusseerd tot 100 micrometer – ongeveer de dikte van een mensenhaar. We hebben elk deeltje vanuit 2.000 verschillende hoeken gemeten om alle reflecties naadloos vast te leggen." Daardoor konden de wetenschappers verschillende uraniumoxidefasen binnen de fragmenten onderscheiden en details onthullen die voorheen ontoegankelijk waren.

De resultaten waren onverwacht: na vier decennia in het milieu had de nucleaire brandstof in alle zes deeltjes een groot deel van haar oorspronkelijke kristalstructuur behouden. Dat suggereert dat ten minste een deel van het puin van Chornobyl chemisch stabieler is dan onderzoekers dachten – stabiel genoeg, mogelijk, om splijtingsproducten opgesloten te houden in plaats van ze snel vrij te geven, wat zou kunnen helpen de verspreiding van radioactieve verontreinigingen naar nabijgelegen bodem en water te beperken. De onderzoekers benadrukken snel dat dit geen bewijs is dat Chornobyls c