Fyrtio år efter kärnkraftsolyckan i Tjernobyl (nu Tjornobyl) ligger fortfarande mikroskopiska radioaktiva partiklar utspridda i den omgivande jorden, och området är fortfarande så radioaktivt att det krävs skyddsdräkt för att beträda det. Explosionerna som förstörde reaktorn slungade ut enorma mängder skräp i miljön, och partiklar som mäter bara 8 till 50 mikrometer är fortfarande starkt radioaktiva. Forskare har nu undersökt dessa små rester i oöverträffad detalj, och de hittade något överraskande: några av dem har behållit mycket av sin ursprungliga inre struktur trots fyra decennier av vittring.

"Det finns tre klasser av dessa partiklar", förklarar Tobias Weissenborn, fysiker och doktorand vid Leibnizuniversitetet i Hannover. "Först finns det partiklar som kemiskt och fysiskt fortfarande är mycket lika kärnbränslet urandioxid. Sedan finns det partiklar som delvis eller helt är inkapslade i, eller helt sammansmälta med, sitt zirkoniumskikt." Den andra kategorin föddes i den extrema hettan inne i reaktorn, där det smältande bränslet kombinerades med zirkonium, den mycket motståndskraftiga metall som används i bränslets skyddande yttre lager. Den tredje typen, tillägger Weissenborn, "skapades när grafitmoderatorn fattade eld." Under normala förhållanden saktar grafitmoderatorn ner snabba neutroner och hjälper till att upprätthålla kedjereaktionen; under katastrofen antändes den och brann i tio dagar. I processen oxiderade bränslet till olika uranoxider som U3O8 – en form som är mekaniskt skör, lätt bryts sönder i mikroskopiska fragment och sedan kan föras med vinden, där inandning utgör allvarliga hälsorisker.

Trots decennier av forskning förstår forskarna fortfarande inte helt varför Tjornobyls partiklar bryts ner i olika takt, och när materialet vittrar kan det bilda flera former av uranoxid, vilket gör långsiktigt beteende svårt att förutsäga. Att knäcka det kräver utrustning av ovanlig precision, inklusive synkrotronröntgendiffraktion, som avslöjar hur atomer är ordnade inuti kristallina material. Dr. Christoph Hennig, kristallograf vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), har nu slutfört den första framgångsrika strukturanalysen av radioaktiva fragment av detta slag vid Rossendorf-strålröret i Grenoble.

Tillsammans med Weissenborn analyserade Hennig sex partiklar som återvunnits från Tjornobylregionen och identifierade deras olika kristallina faser för att lära sig hur snabbt radioaktiva ämnen kan läcka ut i miljön. "Kollegerna från Hannover och jag använde olika metoder för att isolera partiklarna från ukrainska jordprover och fästa dem vid volframelektroder", säger Weissenborn. Eftersom proverna var starkt radioaktiva måste de förseglas inuti flera lager av inkapsling före resan till Grenoble, där Hennigs team använde röntgendiffraktion för att undersöka deras inre strukturer genom att mäta hur röntgenstrålar spreds när de passerade genom materialet. "Först måste vi lista ut hur vi skulle undersöka partikelstrukturen", förklarar Hennig. "Till slut roterade vi partiklarna helt i en röntgenstråle fokuserad ner till 100 mikrometer – ungefär tjockleken på ett människohår. Vi mätte varje partikel från 2 000 olika vinklar för att sömlöst fånga alla reflektioner." Det gjorde att forskarna kunde skilja olika uranoxidfaser inom fragmenten och avslöja detaljer som tidigare varit otillgängliga.

Resultaten var oväntade: efter fyra decennier i miljön hade kärnbränslet inuti alla sex partiklar behållit mycket av sin ursprungliga kristallstruktur. Det tyder på att åtminstone en del av Tjornobyls skräp är kemiskt stabilare än forskarna trodde – stabilt nog, potentiellt, att hålla fissionsprodukter inlåsta snarare än att släppa ut dem snabbt, vilket skulle kunna bidra till att begränsa rörelsen av radioaktiva föroreningar till närliggande jord och vatten. Forskarna skyndar sig att påpeka att detta inte är bevis för att Tjernobyls c