Събитията, свързани с радиоактивни отлагания след ядрен взрив или инцидент, са нещо, за което можем само да се надяваме, че никога няма да се случи – независимо дали причината е умишлено действие, или нещастен случай.

Ако подобно нещо все пак стане реалност, разбирането на последствията е решаваща част от планирането на мерките за безопасност и управлението при бедствия. Това важи с особена сила за ядрените бедствия, при които замърсяването може да има дълготрайни и трудно предвидими ефекти.

Именно с тази цел изследователи от Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ (LLNL) в САЩ провеждат контролирани експерименти във високотемпературна плазмена тръба. С нея те пресъздават част от условията в ядреното огнено кълбо, за да проследят как изпарените при реакция на ядрено делене частици се държат при охлаждане.

Уран, цезий и церий в изкуствено „огнено кълбо“

Учените започват с три елемента: уран – горивото, използвано в много ядрени оръжия и реактори; цезий – радиоактивен страничен продукт от ядреното делене; и церий – използван в експеримента като заместител на плутония, който се прилага в ядрените оръжия.

Особено важно е, че екипът моделира два различни сценария, или т.нар. термични истории. В първия материалите се охлаждат равномерно и непрекъснато. Във втория температурите се задържат много високи за известно време, след което спадат рязко.

„Промяната в продължителността, през която материалите остават при висока температура, може да промени химичните реакции и начина, по който летливи елементи като цезия се включват в частиците“, обяснява химикът Ракия Дауи.

„Историческите изследвания на радиоактивните отлагания показват, че начинът, по който материалите се охлаждат, е от значение.“

Как е проведен експериментът

Експерименталната установка. (Dhaoui et al., Anal. Chem., 2026)

С помощта на плазмен проточен реактор с дължина около един метър екипът нагрява елементите до приблизително 5000 келвина – равностойни на 4727 градуса по Целзий, или 8540 градуса по Фаренхайт.

Първоначалното свръхгорещо огнено кълбо изпарява всичко – точно както би се случило при ядрен взрив. Най-големият интерес на изследователите обаче е насочен към следващия етап: как трите изходни елемента кондензират и се превръщат в частици.

Уранът и церият се държат сходно, но цезият изненадва учените

При урана и церия наблюдаваните модели са сравнително близки.

И двата елемента кондензират сравнително рано, щом температурата започне да спада – както при непрекъснатото охлаждане, така и при сценария със забавено охлаждане. Все пак има известни разлики в допълнителните съединения, които се образуват с участието на тези елементи.

Цезият обаче се оказва най-голямата изненада за изследователите.

И при двата сценария на охлаждане той кондензира много по-късно от урана и церия. А когато температурата остава висока за по-дълго време, цезият се смесва по-активно с други елементи и образува по-сложни съединения.

Частиците като следа от миналото

Освен че помагат за по-доброто предварително разбиране на радиоактивните отлагания, тези открития могат да бъдат полезни и в обратна посока. Учените биха могли да анализират резултатите от ядрено събитие и по тях да възстановят условията, при които са се образували кондензираните частици. Подобно търсене на радиоактивен отпечатък е важно и при проследяването на следи от стари ядрени опити.

„Тези частици съхраняват запис за начина, по който са се образували“, казва Дауи.

„Като изучаваме тези процеси в контролирана система, можем да заменим предположенията с измервания, да подобрим моделите, използвани за тълкуване на ядрените отломки, и да подпомогнем вземането на решения в моментите, когато това е най-важно.“

Къде старите модели може да пропускат важни детайли

Разнообразието от експерименти, проведени в това изследване, се отличава от традиционните методи за моделиране на радиоактивни облаци, известни като равновесни модели.

Тези подходи предполагат по-стабилни и последователни химични реакции. Така обаче те могат да пропуснат важни нюанси, свързани с различната скорост на охлаждане – както показва случаят с цезия.

Разбира се, експериментът все още представлява опростена, строго контролирана лабораторна система. В плазмената тръба не са протичали реални ядрени реакции.

Въпреки това изследователите смятат, че новите резултати могат да се използват заедно с данните от други модели. Така учените биха получили по-ясна картина за химията на радиоактивните отлагания.

От лабораторията към реални ядрени сценарии

Схема на плазмения проточен реактор, използван за изследване на частиците, докато преминават от гореща плазма (вляво) към по-студено кондензирано състояние (вдясно). (Lawrence Livermore National Laboratory)

Значението на откритията не се изчерпва само с ядрените инциденти. Те могат да се окажат полезни и за разбирането на други високотемпературни среди. Самата експериментална система също може да бъде разширена, така че да включва още видове елементи и съединения.

В бъдеще подобни експерименти могат да станат по-сложни и да се доближат още повече до реални сценарии. При авария в ядрен реактор например в процесите биха участвали не само радиоактивни материали, но и бетон, вода, стъкло, почва и множество други вещества. Именно затова по-широкият въпрос за ядрените отпадъци остава важна част от голямата картина.

„Макар че реакторът не може да възпроизведе пълната химична сложност на едно ядрено огнено кълбо, той осигурява контролирана платформа за изолиране на механизмите, които забавят или ускоряват взаимодействието между летливи и тугоплавки компоненти“, пишат изследователите в публикуваната си научна статия.

„Тази възможност подпомага усилията за тълкуване на фракционирането в опростени системи от ядрени отломки.“

Изследването е публикувано в Analytical Chemistry.