Ученые смоделировали ядерные осадки в лаборатории и получили сюрприз

Мы надеемся, что ядерные осадки, независимо от того, вызваны ли они преднамеренными или случайными событиями, никогда не произойдут.

Но если они произойдут, понимание последствий станет важнейшей частью планирования безопасности и борьбы со стихийными бедствиями.

Имея это в виду, исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) в США провели контролируемые эксперименты в высокотемпературной плазменной трубе, моделируя часть ядерного огненного шара, чтобы увидеть, как будут испаряться частицы в реакции деления. реагируют при охлаждении.

Три исходных элемента, которые использовали исследователи, — это уран (топливо во многих видах оружия и реакторах), цезий (радиоактивный побочный продукт ядерного деления) и церий (используемый в качестве замены плутония, который используется в ядерном оружии).

Что особенно важно, команда смоделировала два разных сценария (тепловые истории), чтобы собрать результаты: сценарий последовательного непрерывного охлаждения и сценарий, в котором температура до этого поддерживалась очень высокой. быстро падает.

«Изменение того, как долго материалы остаются при высокой температуре, может изменить химические реакции и то, как летучие элементы, такие как цезий, включаются в частицы», — говорит химик Ракия Дхауи.

«Исторические исследования осадков показывают, что путь, по которому материалы проходят при охлаждении, имеет важное значение».

Используя свой плазменный реактор длиной около метра (39,4 дюйма), команда нагрела свои элементы до температуры около 5000 Кельвинов (это 4727 градусов по Цельсию или 8540 градусов по Фаренгейту).

Первоначальный вариант: сверхгорячий огненный шар испарил все, как это произошло бы при ядерном взрыве, но именно тогда три первоначальных элемента конденсировались и превращались в частицы, которые больше всего интересовали исследователей.

Для урана и церия закономерности были довольно схожими.

Оба конденсировались относительно рано, когда температура начала падать, как в сценариях непрерывного охлаждения, так и в сценариях замедленного охлаждения, хотя были некоторые различия в дополнительных соединениях, которые эти элементы приняли.

Цезий был Самый большой сюрприз для исследователей, поскольку он сделал что-то неожиданное.

В обоих сценариях охлаждения он конденсировался намного позже, чем уран и церий, а в сценарии, где температура поддерживалась более высокой в течение более длительного времени, он больше смешивался с другими элементами и образовывал более сложные соединения.

Помимо понимания ядерных осадков заранее, эти результаты могут помочь ученым работать и в обратном направлении – глядя на результаты ядерного события и выясняя условия, которые создали конденсированные частицы.

«Эти частицы сохраняют информацию о том, как они сформировались», — говорит Дхауи.

Изучая эти процессы в контролируемой системе, мы можем заменить предположения измерениями, улучшить модели, используемые для интерпретации ядерного мусора, и поддержать принятие решений, когда это наиболее важно».

Разнообразие проводимых здесь экспериментов контрастирует с традиционными методами моделирования радиоактивных облаков, известными как равновесные модели.

Эти подходы предполагают химические реакции, которые более стабильна и последовательна, и может упускать нюансы, вызванные изменениями скорости охлаждения – как показано здесь с цезием.

По общему признанию, это все еще упрощенная система, контролируемая в лаборатории, и внутри плазменной трубки фактически не происходит никаких ядерных реакций.

Однако исследователи предполагают, что их новые результаты можно оценить вместе с результатами других моделей, чтобы получить более четкое представление о химии ядерных выпадений.

Есть последствия, выходящие за рамки ядерных инцидентов. Открытия, сделанные здесь, могут быть применены к другим высокотемпературным средам, в то время как настройку системы можно расширить, включив в нее другие типы элементов и соединений.

По теме: Первая в мире могила ядерных отходов почти готова к открытию

В будущем этот тип эксперимента можно сделать более сложным и смоделировать таким образом, чтобы он был близок к реальным сценариям – где, например, ядерный реактор будет окружен бетоном, водой, стеклом, почвой, и все остальное.

«Хотя реактор не может воспроизвести всю химическую сложность ядерного огненного шара, он обеспечивает контролируемую платформу для изолирующих механизмов, которые задерживают или ускоряют взаимодействие между летучими и тугоплавкими компонентами», — пишут исследователи в своей опубликованной статье.

«Эта возможность усиливает усилия по интерпретации признаков фракционирования в упрощенных системах мусора».

Исследование было опубликовано в журнале Analytical Chemistry.