При детонации ядерного оружия или тяжелой аварии на реакторе колоссальный выброс энергии происходит менее чем за миллионную долю секунды. Возникающий при этом огненный шар мгновенно превращает окружающий воздух и твердые материалы в раскаленный плазменный туман, который по мере расширения и охлаждения конденсируется в опасную радиоактивную пыль.
Изучение процессов формирования этих микрочастиц имеет решающее значение для национальной безопасности и экологического мониторинга, так как структура и состав осадков позволяют экспертам точно восстановить детали произошедшего инцидента.
Группа исследователей из Ливерморской национальной лаборатории разработала плазменный проточный реактор, способный непрерывно воспроизводить экстремальную среду остывающего ядерного облака в лабораторных условиях. Статья об открытии опубликована в журнале Analytical Chemistry.
Для проведения тестов ученые использовали смесь из урана, церия и цезия, испаряя их в высокотемпературной плазме. Проходя по специальной контролируемой трубке охлаждения, газообразная смесь подвергалась двум различным температурным сценариям: в одном случае охлаждение происходило постепенно по всей длине пути, во втором — газы удерживались при экстремальном нагреве дольше, после чего охлаждались мгновенно.
Секреты летучего цезия
Результаты анализа осажденных частиц выявили существенные расхождения с классическими теоретическими моделями. Уран и церий (который традиционно используется физиками в качестве безопасного химического аналога плутония) вели себя предсказуемо, конденсируясь на ранних этапах остывания из-за своей низкой летучести. Однако структура их оксидов и химические связи менялись в зависимости от того, по какому температурному пути двигался поток.
Самый неожиданный результат показал летучий цезий, который переходит в твердое состояние гораздо позже остальных элементов. Выяснилось, что при длительном удержании высокой температуры цезий не просто оседал на готовых урановых частицах, а вступал с ними в глубокую химическую реакцию на молекулярном уровне, полностью перестраивая структуру конгломерата.
Это открытие доказывает, что радиоактивные осадки формируются не в результате независимого последовательного выпадения разных химических элементов, как предполагалось во многих старых расчетных моделях, а в ходе сложного и взаимосвязанного процесса синтеза. Теперь ливерморские ученые планируют усложнить эксперименты, добавляя в плазму кремний, железо и другие компоненты реального грунта, чтобы сделать государственные модели прогнозирования последствий ядерных инцидентов максимально точными.
Ранее Наука Mail рассказывала, что физики нашли на месте первого ядерного испытания уникальный кристалл.
