Όταν ένα πυρηνικό όπλο εκρήγνυται ή συμβαίνει ένα σοβαρό ατύχημα στον αντιδραστήρα, μια τεράστια έκρηξη ενέργειας συμβαίνει σε λιγότερο από ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Η έντονη θερμότητα εξατμίζει αμέσως τον γειτονικό αέρα και τα υλικά, δημιουργώντας ένα φωτεινό, διαστελλόμενο σύννεφο αερίου και πλάσματος. Καθώς αυτή η πυρηνική βολίδα μεγαλώνει, αναμειγνύεται με τη γύρω ατμόσφαιρα, ψύχεται και τελικά συμπυκνώνεται σε μικροσκοπικά στερεά σωματίδια που γίνονται πυρηνική πτώση.
Οι επιστήμονες μελετούν τον τρόπο με τον οποίο συμβαίνουν οι επιπτώσεις επειδή μπορεί να παρέχει πολύτιμες ενδείξεις για το τι συνέβη κατά τη διάρκεια ενός πυρηνικού συμβάντος και να βοηθήσει στη βελτίωση των μοντέλων που χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της ασφάλειας. Μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Αναλυτική ΧημείαΕρευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore (LLNL) διερεύνησαν πώς συμπεριφέρονται το ουράνιο, το δημήτριο και το καίσιο όταν εξατμίζονται, αντιδρούν χημικά και συμπυκνώνονται υπό προσεκτικά ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας.
Τα ευρήματά τους υποδηλώνουν ότι ορισμένα ευρέως χρησιμοποιούμενα μοντέλα πτώσης μπορεί να αγνοούν σημαντικές χημικές αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν με το σχηματισμό σωματιδίων.
Ανακατασκευή συνθηκών πυρηνικής βολίδας
«Η αλλαγή του χρόνου παραμονής των υλικών σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να αλλάξει τις χημικές αντιδράσεις και τον τρόπο με τον οποίο πτητικά στοιχεία όπως το καίσιο ενσωματώνονται στα σωματίδια», δήλωσε η επιστήμονας και συγγραφέας του LLNL Rakia Dhoui. “Αυτά τα σωματίδια διατηρούν ένα αρχείο για το πώς σχηματίστηκαν. Μελετώντας αυτές τις διαδικασίες σε ένα ελεγχόμενο σύστημα, μπορούμε να αντικαταστήσουμε τις υποθέσεις με μετρήσεις, να βελτιώσουμε τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την ερμηνεία των πυρηνικών συντριμμιών και να υποστηρίξουμε τη λήψη αποφάσεων όταν έχει μεγαλύτερη σημασία.”
Για να διερευνήσει αυτές τις διαδικασίες, η ομάδα χρησιμοποίησε έναν αντιδραστήρα ροής πλάσματος που σχεδιάστηκε για να προσομοιώνει μέρος του περιβάλλοντος μέσα σε μια πυρηνική βολίδα. Συγκεκριμένοι συνδυασμοί ουσιών εισήχθησαν σε ένα πλάσμα υψηλής θερμοκρασίας, όπου εξατμίστηκαν. Ο προκύπτων ατμός στη συνέχεια ταξιδεύει μέσω ενός σωλήνα όπου η θερμοκρασία μπορεί να ελεγχθεί προσεκτικά καθώς το υλικό ψύχεται.
Η ρύθμιση επιτρέπει στους ερευνητές να εκθέσουν τα υλικά σε δύο διαφορετικές συνθήκες ψύξης, γνωστές ως θερμικές ιστορίες. Σε ένα σενάριο, η θερμοκρασία μειώθηκε σταδιακά σε όλο το σωλήνα. Σε ένα άλλο, τα υλικά θερμαίνονται για μεγάλο χρονικό διάστημα πριν κρυώσουν γρήγορα. Επειδή ο αντιδραστήρας λειτουργεί συνεχώς, τα δείγματα μπορούν να συλλεχθούν σε πολλαπλές τοποθεσίες, επιτρέποντας στους επιστήμονες να παρατηρήσουν πώς αλλάζουν τα σωματίδια καθώς σχηματίζονται.
Γιατί η ωραία ιστορία είναι σημαντική
«Οι ιστορικές μελέτες υποδηλώνουν ότι είναι σημαντικό να αναλαμβάνουμε τα υλικά μονοπατιών καθώς ψύχονται», λέει ο Dhoui. «Ο ρυθμός και ο χρόνος ψύξης σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να αλλάξει τα χημικά είδη και τη σύνθεση των σωματιδίων».
Οι ερευνητές επέλεξαν ουράνιο, δημήτριο και καίσιο επειδή το καθένα συμπεριφέρεται διαφορετικά κατά τη συμπύκνωση. Το ουράνιο είναι σχετικά πτητικό και συγκεντρώνεται νωρίς στη διαδικασία, καθιστώντας το ένα χρήσιμο σημείο αναφοράς. Το δημήτριο, το οποίο χρησιμοποιείται συχνά ως βάση για το πλουτώνιο, συμπυκνώνεται παρόμοια με το ουράνιο. Ωστόσο, και τα δύο στοιχεία παρουσιάζουν αλλαγές στη χημεία τους ανάλογα με τη θερμική ιστορία που βιώνουν.
Το καίσιο συμπεριφέρθηκε πολύ διαφορετικά. Συμπυκνώνεται πολύ αργότερα από άλλα στοιχεία και όταν βρίσκεται σε υψηλές θερμοκρασίες για μεγάλο χρονικό διάστημα, αναμειγνύεται εκτενέστερα με ουράνιο και δημήτριο.
Βελτίωση μοντέλων πυρηνικών εκπομπών
Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι ο σχηματισμός της πτώσης εξαρτάται όχι μόνο από το πότε συμπυκνώνονται τα διάφορα συστατικά, αλλά και από το πώς αλληλεπιδρούν χημικά μεταξύ τους καθώς η θερμοκρασία μειώνεται. Πολλά υπάρχοντα μοντέλα πτώσης αντιμετωπίζουν κυρίως τα συστατικά σαν να συμπεριφέρονται ανεξάρτητα, πράγμα που σημαίνει ότι ορισμένες από αυτές τις χημικές αντιδράσεις αντιπροσωπεύονται μόνο εν μέρει.
Με την απομόνωση των επιπτώσεων της θερμικής ιστορίας σε ένα ελεγχόμενο πειραματικό σύστημα, οι ερευνητές έχουν δημιουργήσει δεδομένα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση και τη βελτίωση μοντέλων επιπτώσεων που βασίζονται εδώ και πολύ καιρό σε απλουστευμένες υποθέσεις.
Η ομάδα σχεδιάζει να επεκτείνει το έργο μελετώντας πιο ρεαλιστικά μείγματα υλικών με στόχο την καλύτερη αποτύπωση των πολύπλοκων διεργασιών που διέπουν το σχηματισμό των κρούσματος κατά τη διάρκεια πραγματικών πυρηνικών γεγονότων.
