Kiedy wybucha broń jądrowa lub reaktor robi swoje najlepsze wrażenie jednej z nich, w mniej niż milionowej części sekundy uwalniana jest ogromna ilość energii. Ekstremalne ciepło natychmiast odparowuje pobliskie powietrze i materiały, tworząc lśniącą, rozszerzającą się chmurę gazu i plazmy. Gdy ta jądrowa kula ognia rośnie, miesza się z otaczającą atmosferą, ochładza się i ostatecznie kondensuje w maleńkie stałe cząstki, które stają się opadem jądrowym – najmniej pożądanym konfetti natury.

Naukowcy badają, jak tworzy się opad, ponieważ może dostarczyć cennych wskazówek na temat tego, co wydarzyło się podczas zdarzenia jądrowego i pomóc ulepszyć modele używane do oceny bezpieczeństwa. W nowym badaniu opublikowanym w Analytical Chemistry naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) zbadali, jak uran, cer i cez zachowują się podczas odparowywania, reakcji chemicznych i kondensacji w starannie kontrolowanych warunkach temperaturowych. Ich odkrycia sugerują, że niektóre powszechnie używane modele opadu mogą pomijać ważne interakcje chemiczne zachodzące podczas formowania się cząstek – bo dlaczego coś tak prostego jak jądrowa kula ognia miałoby być łatwe?

„Zmiana czasu, przez jaki materiały pozostają w wysokiej temperaturze, może zmienić reakcje chemiczne i sposób, w jaki lotne pierwiastki, takie jak cez, są włączane do cząstek” – powiedziała naukowiec LLNL i autorka Rakia Dhaoui. „Te cząstki przechowują zapis tego, jak powstały. Badając te procesy w kontrolowanym układzie, możemy zastąpić założenia pomiarami, ulepszyć modele używane do interpretacji szczątków jądrowych i wspierać podejmowanie decyzji, gdy ma to największe znaczenie”.

Aby zbadać te procesy, zespół użył reaktora z przepływem plazmy zaprojektowanego do naśladowania części środowiska wewnątrz jądrowej kuli ognia. Specyficzne kombinacje materiałów zostały wprowadzone do plazmy o wysokiej temperaturze, gdzie zostały odparowane. Powstała para następnie przemieszczała się przez rurę, w której można było starannie kontrolować temperatury w miarę ochładzania się materiału. Układ pozwolił naukowcom wystawić materiały na dwa różne scenariusze chłodzenia, znane jako historie termiczne: w jednym temperatury stopniowo spadały; w drugim materiały pozostawały gorące przez dłuższy czas, zanim szybko ostygły. Ponieważ reaktor działa w sposób ciągły, próbki mogły być pobierane w wielu miejscach, co pozwoliło naukowcom obserwować, jak cząstki zmieniają się podczas formowania – jak spowolniony powtórka apokaliptycznego wydarzenia.

„Historyczne badania opadu wskazują, że ścieżka, jaką materiały pokonują podczas ochładzania, jest ważna” – powiedział Dhaoui. „Szybkość chłodzenia i czas w podwyższonej temperaturze mogą zmienić specjację chemiczną i tworzenie się cząstek”.

Naukowcy wybrali uran, cer i cez, ponieważ każdy z nich zachowuje się inaczej podczas kondensacji. Uran jest stosunkowo mniej lotny i kondensuje wcześnie w procesie, co czyni go użytecznym punktem odniesienia. Cer, często używany jako zamiennik plutonu, kondensował podobnie do uranu. Jednak oba wykazały zmiany w swojej chemii w zależności od historii termicznej, której doświadczyły. Cez zachowywał się bardzo inaczej: kondensował znacznie później niż pozostałe pierwiastki, a gdy pozostawał w wysokich temperaturach przez dłuższy czas, mieszał się znacznie bardziej z uranem i cerem.

Wyniki wskazują, że tworzenie się opadu zależy nie tylko od tego, kiedy różne pierwiastki kondensują, ale także od tego, jak wchodzą ze sobą w interakcje chemiczne, gdy temperatury spadają. Wiele istniejących modeli opadu traktuje materiały przede wszystkim tak, jakby zachowywały się niezależnie, co oznacza, że niektóre z tych reakcji chemicznych są tylko częściowo reprezentowane – przeoczenie, które może mieć znaczenie, jeśli próbujesz przewidzieć, gdzie wylądują radioaktywne cząstki.

Izolując wpływ historii termicznej w kontrolowanym układzie eksperymentalnym, naukowcy wygenerowali dane, które można wykorzystać do oceny i ulepszenia modeli opadu, które od dawna opierają się na uproszczonych założeniach. Zespół planuje rozszerzyć prace, badając bardziej realistyczne mieszanki materiałów, w celu lepszego uchwycenia złożoności.