Когда ядерное оружие взрывается или реактор делает лучшее впечатление оного, в течение менее чем миллионной доли секунды высвобождается огромный всплеск энергии. Экстремальное тепло мгновенно испаряет близлежащий воздух и материалы, создавая яркое расширяющееся облако газа и плазмы. По мере роста этого ядерного огненного шара он смешивается с окружающей атмосферой, остывает и в конечном итоге конденсируется в крошечные твердые частицы, которые становятся радиоактивными осадками — наименее желанным конфетти природы.

Ученые изучают, как образуются осадки, потому что они могут дать ценные подсказки о том, что произошло во время ядерного события, и помочь улучшить модели, используемые для оценки безопасности. В новом исследовании, опубликованном в Analytical Chemistry, исследователи из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) изучили, как ведут себя уран, церий и цезий при испарении, химическом реагировании и конденсации в тщательно контролируемых температурных условиях. Их результаты показывают, что некоторые широко используемые модели осадков могут упускать из виду важные химические взаимодействия, происходящие при образовании частиц — потому что что может быть проще, чем ядерный огненный шар?

«Изменение того, как долго материалы остаются при высокой температуре, может изменить химические реакции и то, как летучие элементы, такие как цезий, включаются в частицы», — сказал ученый LLNL и автор Ракия Дауи. «Эти частицы сохраняют запись того, как они образовались. Изучая эти процессы в контролируемой системе, мы можем заменить предположения измерениями, улучшить модели, используемые для интерпретации ядерных обломков, и поддержать принятие решений, когда это наиболее важно».

Чтобы исследовать эти процессы, команда использовала плазменный проточный реактор, предназначенный для имитации части среды внутри ядерного огненного шара. Определенные комбинации материалов вводились в высокотемпературную плазму, где они испарялись. Полученный пар затем проходил через трубку, в которой температура могла тщательно контролироваться по мере охлаждения материала. Установка позволяла исследователям подвергать материалы двум различным сценариям охлаждения, известным как термические истории: в одном температура постепенно снижалась; в другом материалы оставались горячими в течение более длительного периода перед быстрым охлаждением. Поскольку реактор работает непрерывно, образцы можно было собирать в нескольких местах, что позволяло ученым наблюдать, как частицы менялись по мере их образования — как замедленное воспроизведение апокалиптического события.

«Исторические исследования осадков показывают, что путь, который проходят материалы при охлаждении, важен», — сказала Дауи. «Скорость охлаждения и время при повышенной температуре могут изменить химическую спецификацию и образование частиц».

Исследователи выбрали уран, церий и цезий, потому что каждый из них ведет себя по-разному во время конденсации. Уран относительно менее летуч и конденсируется рано в процессе, что делает его полезным эталоном. Церий, часто используемый в качестве заменителя плутония, конденсировался аналогично урану. Однако оба показали изменения в своей химии в зависимости от термической истории, которую они испытали. Цезий вел себя совсем иначе: он конденсировался гораздо позже других элементов, и когда он оставался при высоких температурах в течение более длительных периодов, он гораздо более интенсивно смешивался с ураном и церием.

Результаты показывают, что образование осадков зависит не только от того, когда разные элементы конденсируются, но и от того, как они химически взаимодействуют друг с другом по мере падения температуры. Многие существующие модели осадков в основном рассматривают материалы так, как если бы они вели себя независимо, что означает, что некоторые из этих химических реакций представлены лишь частично — упущение, которое может иметь значение, если вы пытаетесь предсказать, где приземлятся радиоактивные частицы.

Изолируя эффекты термической истории в контролируемой экспериментальной системе, исследователи получили данные, которые можно использовать для оценки и улучшения моделей осадков, которые долгое время полагались на упрощенные предположения. Команда планирует расширить работу, изучая более реалистичные смеси материалов, с целью лучше уловить сложность.