Naučnici u laboratoriji oponašali nuklearne padavine i otkrili nešto neočekivano

Nuklearne padavine, bilo da su posljedica namjernog djelovanja ili nesreće, predstavljaju scenario za koji se naučnici nadaju da se nikada neće dogoditi. Ipak, razumijevanje njihovih posljedica ostaje važan dio sigurnosnog planiranja i upravljanja mogućim katastrofama. Upravo s tim ciljem istraživači iz Nacionalne laboratorije Lawrence Livermore (LLNL) u Sjedinjenim Američkim Državama proveli su kontrolisane eksperimente u visokotemperaturnoj plazma cijevi. Simulirali su dio nuklearne vatrene kugle kako bi pratili na koji način čestice nastale isparavanjem tokom fisijske reakcije reaguju dok se hlade.

Tokom istraživanja korištena su tri početna elementa. Prvi je bio uranij, koji se koristi kao gorivo u brojnim nuklearnim reaktorima i oružju. Drugi je bio cezij, radioaktivni nusprodukt nuklearne fisije. Treći je bio cerij, korišten kao zamjena za plutonij, element koji se upotrebljava u nuklearnom naoružanju.

Ključni dio istraživanja odnosio se na dva različita scenarija hlađenja, odnosno dvije različite temperaturne historije. U jednom slučaju temperatura je opadala kontinuirano i postepeno, dok je u drugom scenariju materijal duže vrijeme ostajao izložen veoma visokim temperaturama prije naglog pada. Hemičarka Rakia Dhaoui navela je da promjena trajanja izloženosti visokim temperaturama može uticati na hemijske reakcije i način na koji se hlapljivi elementi poput cezija ugrađuju u nastale čestice, prenosi Science Alert.

- Ranija istraživanja nuklearnih padavina pokazuju da je put kojim materijali prolaze tokom hlađenja važan faktor, rekla je Dhaoui.

Istraživački tim koristio je plazma protočni reaktor dug približno jedan metar, odnosno 39,4 inča. U njemu su elementi zagrijavani na temperature od oko 5.000 Kelvina, što odgovara približno 4.727 stepeni Celzijusa ili 8.540 stepeni Fahrenheita. Početna ekstremno vrela vatrena kugla isparila je sve materijale, kao što bi se dogodilo i tokom nuklearne eksplozije. Međutim, naučnike je najviše zanimalo šta se događa nakon toga, odnosno kako se tri elementa kondenzuju i pretvaraju u čestice tokom pada temperature.

Kod uranija i cerija uočeni su uglavnom slični obrasci ponašanja. Oba elementa kondenzovala su se relativno rano nakon početka hlađenja, i u scenariju kontinuiranog i u scenariju odgođenog hlađenja. Ipak, postojale su određene razlike u dodatnim spojevima koje su elementi formirali.

Najveće iznenađenje predstavljalo je ponašanje cezija. Istraživači su ustanovili da se cezij kondenzovao znatno kasnije od uranija i cerija u oba scenarija hlađenja. U scenariju u kojem je temperatura duže održavana na vrlo visokom nivou, cezij se više miješao s drugim elementima i stvarao složenije hemijske spojeve.

Osim što bi mogla pomoći u boljem razumijevanju nuklearnih padavina prije eventualnih budućih incidenata, ova saznanja naučnicima omogućavaju i obrnut pristup. Analizom čestica nastalih nakon nuklearnog događaja moguće je pokušati rekonstruisati uslove u kojima su nastale.

- Ove čestice čuvaju zapis o tome kako su formirane, objasnila je Dhaoui.

Dodala je da proučavanje tih procesa u kontrolisanom sistemu omogućava zamjenu pretpostavki konkretnim mjerenjima, unapređenje modela za tumačenje nuklearnih ostataka i pružanje podrške donošenju odluka u trenucima kada je to najpotrebnije.

Raznolikost eksperimenata provedenih u ovom istraživanju razlikuje se od tradicionalnih metoda modeliranja radioaktivnih oblaka, poznatih kao ravnotežni modeli. Takvi pristupi polaze od pretpostavke da su hemijske reakcije stabilnije i ujednačenije, zbog čega mogu propustiti detalje nastale usljed različitih brzina hlađenja, što je posebno pokazano na primjeru cezija.

Autori naglašavaju da je riječ o pojednostavljenom laboratorijskom sistemu te da unutar plazma cijevi nisu izvođene stvarne nuklearne reakcije. Ipak, smatraju da bi se novi rezultati mogli analizirati zajedno s podacima dobijenim drugim modelima kako bi se dobila preciznija slika hemije nuklearnih padavina. Dijagram korištenog plazma protočnog reaktora prikazuje način na koji se čestice kreću od vruće plazme do hladnijeg, kondenzovanog stanja. Upravo je taj proces bio ključan za praćenje njihovog formiranja.

Implikacije istraživanja ne odnose se samo na nuklearne incidente. Naučnici navode da bi otkriveni procesi mogli biti primjenjivi i u drugim visokotemperaturnim okruženjima, dok se sama eksperimentalna platforma može proširiti uključivanjem dodatnih elemenata i hemijskih spojeva. U budućnosti bi ovakvi eksperimenti mogli postati složeniji i bliži stvarnim uslovima. Kao primjer navodi se mogućnost modeliranja okruženja u kojem bi nuklearni reaktor bio okružen betonom, vodom, staklom, zemljištem i drugim materijalima prisutnim u stvarnim situacijama.

U objavljenom naučnom radu istraživači navode da reaktor ne može reproducirati punu hemijsku složenost nuklearne vatrene kugle, ali da pruža kontrolisanu platformu za izdvajanje mehanizama koji odgađaju ili ubrzavaju interakciju između hlapljivih i vatrostalnih komponenti. Dodaju da takva mogućnost jača napore usmjerene na tumačenje signatura frakcionacije u pojednostavljenim sistemima nuklearnih ostataka.

Rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu Analytical Chemistry.