Ученые смоделировали ядерный огненный шар и нашли неожиданность в радиоактивных осадках

Ученые из Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) смоделировали условия внутри ядерного огненного шара и обнаружили, что существующие модели радиоактивных осадков могут упускать важные химические взаимодействия. Результаты исследования опубликованы в журнале Analytical Chemistry.

При детонации ядерного оружия или серьезной аварии на реакторе выделяется колоссальная энергия менее чем за миллионную долю секунды. Экстремальное тепло мгновенно испаряет воздух и материалы, создавая расширяющееся облако газа и плазмы. По мере остывания оно конденсируется в крошечные твердые частицы — радиоактивные осадки.

Команда LLNL использовала плазменный проточный реактор, имитирующий часть среды внутри ядерного огненного шара. Материалы (уран, церий и цезий) вводились в высокотемпературную плазму, где испарялись, а затем охлаждались в трубе с контролируемой температурой. Исследователи применили два сценария охлаждения: постепенное снижение температуры и длительное пребывание при высокой температуре с последующим быстрым охлаждением.

«Изменение того, как долго материалы остаются при высокой температуре, может изменить химические реакции и то, как летучие элементы, такие как цезий, включаются в частицы, — объяснила автор исследования Ракия Дауи. — Эти частицы сохраняют запись того, как они образовались. Изучая эти процессы в контролируемой системе, мы можем заменить предположения измерениями, улучшить модели, используемые для интерпретации ядерных обломков, и поддержать принятие решений, когда это наиболее важно».

Уран и церий (последний часто используют как аналог плутония) конденсировались рано, но их химия менялась в зависимости от термической истории. Цезий вел себя иначе: он конденсировался гораздо позже, а при длительном пребывании при высоких температурах значительно активнее смешивался с ураном и церием.

Результаты показывают, что образование осадков зависит не только от времени конденсации разных элементов, но и от их химического взаимодействия при падении температуры. Многие существующие модели рассматривают материалы как независимые, что лишь частично отражает эти реакции. Полученные данные помогут улучшить модели, долгое время полагавшиеся на упрощенные допущения. В будущем команда планирует изучать более реалистичные смеси материалов.