Wanneer een kernwapen ontploft of een reactor zijn beste indruk van een doet, komt er in minder dan een miljoenste van een seconde een immense energieburst vrij. De extreme hitte verdampt onmiddellijk nabijgelegen lucht en materialen, waardoor een schitterende, uitdijende wolk van gas en plasma ontstaat. Terwijl deze kernvuurbal groeit, mengt hij zich met de omringende atmosfeer, koelt af en condenseert uiteindelijk tot kleine vaste deeltjes die nucleaire neerslag worden - de minst welkome confetti van de natuur.
Wetenschappers bestuderen hoe neerslag ontstaat omdat het waardevolle aanwijzingen kan geven over wat er tijdens een nucleaire gebeurtenis is gebeurd en kan helpen bij het verbeteren van modellen die worden gebruikt voor veiligheidsbeoordelingen. In een nieuwe studie gepubliceerd in Analytical Chemistry onderzochten onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hoe uranium, cerium en cesium zich gedragen terwijl ze verdampen, chemisch reageren en condenseren onder zorgvuldig gecontroleerde temperatuuromstandigheden. Hun bevindingen suggereren dat sommige veelgebruikte neerslagmodellen belangrijke chemische interacties over het hoofd zien die optreden tijdens de vorming van deeltjes - want waarom zou iets zo eenvoudigs als een kernvuurbal simpel zijn?
"Het veranderen van hoe lang materialen op hoge temperatuur blijven, kan chemische reacties veranderen en hoe vluchtige elementen zoals cesium in deeltjes worden opgenomen," zei LLNL-wetenschapper en auteur Rakia Dhaoui. "Deze deeltjes bewaren een verslag van hoe ze zijn gevormd. Door deze processen in een gecontroleerd systeem te bestuderen, kunnen we aannames vervangen door metingen, de modellen verbeteren die worden gebruikt om nucleair puin te interpreteren en besluitvorming ondersteunen wanneer het er het meest toe doet."
Om deze processen te onderzoeken, gebruikte het team een plasma-stroomreactor die is ontworpen om een deel van de omgeving in een kernvuurbal na te bootsen. Specifieke combinaties van materialen werden in een plasma op hoge temperatuur gebracht, waar ze werden verdampt. De resulterende damp reisde vervolgens door een buis waarin de temperaturen zorgvuldig konden worden gecontroleerd terwijl het materiaal afkoelde. De opstelling stelde onderzoekers in staat om de materialen bloot te stellen aan twee verschillende koelscenario's, bekend als thermische geschiedenissen: in het ene daalden de temperaturen geleidelijk; in het andere bleven de materialen langer heet voordat ze snel afkoelden. Omdat de reactor continu werkt, konden op meerdere locaties monsters worden genomen, waardoor wetenschappers konden observeren hoe deeltjes veranderden tijdens hun vorming - als een slow-motion herhaling van een apocalyptische gebeurtenis.
"Historische neerslagstudies geven aan dat het pad dat materialen afleggen tijdens het afkoelen belangrijk is," zei Dhaoui. "Koelsnelheid en tijd op verhoogde temperatuur kunnen de chemische specialisatie en deeltjesvorming veranderen."
De onderzoekers kozen uranium, cerium en cesium omdat elk zich anders gedraagt tijdens condensatie. Uranium is relatief minder vluchtig en condenseerde vroeg in het proces, waardoor het een nuttige benchmark is. Cerium, vaak gebruikt als vervanger voor plutonium, condenseerde vergelijkbaar met uranium. Beide vertoonden echter veranderingen in hun chemie afhankelijk van de thermische geschiedenis die ze ondergingen. Cesium gedroeg zich heel anders: het condenseerde veel later dan de andere elementen, en wanneer het langer op hoge temperaturen bleef, mengde het zich veel uitgebreider met uranium en cerium.
De resultaten geven aan dat neerslagvorming niet alleen afhangt van wanneer verschillende elementen condenseren, maar ook van hoe ze chemisch met elkaar interageren terwijl de temperaturen dalen. Veel bestaande neerslagmodellen behandelen materialen voornamelijk alsof ze zich onafhankelijk gedragen, wat betekent dat sommige van deze chemische reacties slechts gedeeltelijk worden weergegeven - een omissie die ertoe zou kunnen doen als je probeert te voorspellen waar radioactieve deeltjes zullen landen.
Door de effecten van thermische geschiedenis in een gecontroleerd experimenteel systeem te isoleren, genereerden de onderzoekers gegevens die kunnen worden gebruikt om neerslagmodellen te evalueren en te verbeteren die lang hebben vertrouwd op vereenvoudigde aannames. Het team is van plan het werk uit te breiden door meer realistische mengsels van materialen te bestuderen, met als doel de complexiteit van nucleaire neerslag beter te vatten.