При взрыве ядерного боеприпаса или крупной аварии на реакторе колоссальный выброс энергии происходит менее чем за миллионную долю секунды. Сверхвысокие температуры мгновенно испаряют окружающий воздух и материалы, образуя расширяющееся облако плазмы. По мере остывания и смешивания с атмосферой этот пар конденсируется в твердые микрочастицы, формирующие радиоактивные осадки. Изучение физико-химических механизмов этого процесса позволяет точнее анализировать последствия ядерных инцидентов и восстанавливать их детали по составу уцелевших частиц.
Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в США изучили, как именно уран, церий и цезий испаряются, вступают в химические реакции и конденсируются в условиях контролируемой температуры. Результаты работы, опубликованные в журнале Analytical Chemistry, указывают на то, что существующие модели прогнозирования радиоактивных осадков могут не учитывать важные межэлементные взаимодействия на этапе формирования твердых частиц.
Для реконструкции физических условий внутри остывающего ядерного облака физики использовали специализированный плазмоструйный реактор. Экспериментальные образцы вводили в высокотемпературную плазму, где они полностью испарялись, после чего газообразная смесь проходила через охлаждающую трубку с регулируемым температурным профилем. Авторы работы протестировали два сценария: постепенное снижение температуры по всей длине реактора и длительное удержание сырья в нагретом состоянии с последующим резким охлаждением. Непрерывный режим работы установки позволил отбирать пробы на разных участках и поэтапно фиксировать динамику конденсации.
В качестве объектов исследования ученые выбрали уран, церий и цезий, обладающие разной летучестью. Уран конденсировался на ранних этапах остывания, послужив базовым ориентиром. Церий, часто применяемый в лабораторных тестах как аналог плутония, показал схожую с ураном динамику, однако химические свойства обоих элементов менялись в зависимости от скорости охлаждения. Наиболее чувствительным к термической истории оказался цезий – вещество с высокой летучестью, которое переходило в твердую фазу значительно позже. Эксперименты показали, что при затяжном воздействии высоких температур цезий гораздо активнее вступал в реакции и смешивался с ураном и церием, образуя сложные композитные частицы.
Большинство современных прогностических моделей исходят из допущения, что компоненты радиоактивного облака конденсируются независимо друг от друга. Новые данные доказывают, что химическое взаимодействие между элементами в процессе остывания существенно меняет конечный состав осадков. По мнению авторов исследования, полученные количественные измерения позволят скорректировать упрощенные теоретические алгоритмы и повысить точность экспертизы при оценке радиационных инцидентов.
