Схема плазменного проточного реактора, который можно использовать для изучения частиц при их переходе из горячей плазмы (слева) в более холодное конденсированное состояние (справа). Источник: Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса

Воссоздав ядерный огненный шар, ученые обнаружили неожиданные химические процессы, которые могут изменить наши представления о радиоактивных осадках.

В первую долю секунды после ядерного взрыва или серьезной аварии на реакторе огромный выброс энергии приводит к перегреву окружающей среды. Ближайшие к эпицентру материалы и воздух мгновенно испаряются, образуя быстро расширяющийся огненный шар из газа и плазмы.

По мере роста и остывания огненного шара испаряющийся материал начинает конденсироваться в крошечные твердые частицы. Эти частицы в конечном итоге становятся радиоактивными осадками.

Точное понимание того, как образуются радиоактивные осадки, важно для повышения уровня безопасности и помогает ученым реконструировать события, произошедшие во время ядерного инцидента. В новом исследовании ученых из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL), опубликованном в журнале Analytical Chemistry, этот процесс рассматривается более подробно. Исследователи изучили поведение урана, церия и цезия при испарении, взаимодействии и охлаждении в тщательно контролируемых условиях.

Полученные данные свидетельствуют о том, что широко используемые модели радиоактивных осадков могут не учитывать важные химические взаимодействия, происходящие при формировании частиц.

«Изменение времени воздействия высоких температур на материалы может повлиять на химические реакции и на то, как летучие элементы, такие как цезий, встраиваются в частицы, — говорит Ракия Дхауи, научный сотрудник Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и автор исследования. — Эти частицы хранят информацию о том, как они образовались. Изучая эти процессы в контролируемой системе, мы можем заменить предположения измерениями, усовершенствовать модели, используемые для интерпретации ядерных отходов, и помочь в принятии решений в критических ситуациях».

Моделирование условий внутри ядерного огненного шара

Чтобы изучить процесс образования радиоактивных осадков, исследователи использовали плазменный реактор, воспроизводящий часть среды внутри ядерного огненного шара.

Система позволяет ученым помещать определенные комбинации материалов в высокотемпературную плазму, где они испаряются. Образовавшийся пар проходит через трубку, где температура может точно регулироваться по мере его охлаждения.

Команда протестировала два разных сценария охлаждения, известных как температурные режимы. В одном случае температура неуклонно снижалась по мере прохождения материала через реактор. Во втором случае пар дольше оставался при более высокой температуре, а затем быстро остывал.

Поскольку реактор работает непрерывно, исследователи смогли собрать образцы в нескольких точках системы и проследить за тем, как частицы менялись с течением времени.

«Исследования, проведенные в прошлом, показывают, что важную роль играет то, как материалы остывают, — говорит Дауи. — Скорость охлаждения и время пребывания при повышенной температуре могут влиять на химический состав и образование частиц».

Как ведут себя уран, церий и цезий

Исследователи выбрали уран, церий и цезий, потому что каждый из этих элементов по-разному ведет себя в процессе конденсации.

Уран относительно менее летуч, а значит, он конденсировался раньше и послужил полезным ориентиром для сравнения. Церий, который часто используется в качестве заменителя плутония в лабораторных исследованиях, по характеру конденсации схож с ураном. Однако химический состав обоих элементов менялся в зависимости от условий, в которых они находились.

Цезий выделялся среди других элементов.

В отличие от урана и церия, цезий конденсировался гораздо позже. При более длительном воздействии высоких температур он гораздо активнее смешивался с другими веществами в системе.

Эти наблюдения показывают, что образование радиоактивных осадков зависит не только от того, когда конденсируются различные элементы, но и от того, как они взаимодействуют в химическом плане при охлаждении.

Совершенствование моделей радиоактивных осадков

Во многих современных моделях радиоактивные осадки рассматриваются как отдельные компоненты, и лишь частично учитываются химические реакции, происходящие между элементами. Новые результаты показывают, что эти взаимодействия могут играть гораздо более важную роль, чем считалось ранее.

Изолировав влияние термической истории в контролируемых экспериментальных условиях, исследователи получили ценные данные, которые можно использовать для проверки и уточнения моделей, долгое время основанных на упрощенных допущениях.

Команда планирует продолжить работу, изучая более реалистичные сочетания материалов, чтобы лучше отразить сложность образования осадков в реальных условиях.