Миниатюрное ядерное пламя в лаборатории. Ученые выяснили, как на самом деле образуется радиоактивная пыль

С помощью специально созданной установки — плазменного реактора — ученым удалось воссоздать миниатюрную копию искусственного ядерного огненного шара. Главной целью этого уникального эксперимента было детальное изучение механизмов формирования радиоактивных осадков, которые возникают в результате аварий на атомных объектах или применения оружия. Полученные результаты способны кардинально улучшить действующие модели безопасности современных ядерных реакторов, оптимизировать планирование действий в чрезвычайных ситуациях, а также повысить эффективность работ при ликвидации последствий загрязнения и очистки территорий.

Как известно, в момент ядерного взрыва или глобальной аварии температура мгновенно поднимается до экстремальных показателей, которые значительно превышают температуру на поверхности Солнца. При таких условиях любые окружающие материалы — почва, бетонные конструкции, элементы реактора и органические соединения — моментально испаряются. Они превращаются в раскаленное облако газа и плазмы, которое ученые называют огненным шаром. Во время дальнейшего расширения и охлаждения этого образования начинают конденсироваться мельчайшие микрочастицы, которые впоследствии выпадают на землю в виде опасной радиоактивной пыли.

С точки зрения ядерной криминалистики, эти микроскопические частицы являются своеобразными химическими «окаменелостями». Тщательный лабораторный анализ таких остатков позволяет специалистам точно реконструировать события прошлого: определить первоначальный состав материалов, узнать максимальный уровень нагрева, выяснить точную продолжительность воздействия высоких температур и даже установить конкретный тип ядерного инцидента. Все эти данные критически важны для мониторинга вооружений и оперативного реагирования.

Внутри разработанного плазменного реактора команда исследователей получила возможность испарять сложные смеси, содержащие уран, церий и цезий, полностью контролируя каждый микросекундный этап охлаждения пара. Это позволило наглядно проследить зарождение твердых частиц и образованием новых химических соединений.

Результаты эксперимента полностью опровергли устаревшие теоретические модели. Ранее считалось, что при охлаждении каждый элемент, например уран или цезий, конденсируется относительно независимо друг от друга по четко определенным и предсказуемым точкам замерзания. Однако новое исследование доказало, что химические элементы в облаке плазмы активно и хаотично взаимодействуют между собой. Формирование радиоактивных осадков оказалось гораздо более сложным процессом, который ученые сравнивают с бурным химическим «супом».

Особую непредсказуемость демонстрирует цезий. Оказалось, что он способен оставаться в газообразном состоянии значительно дольше, чем предполагали ранее. Если общий процесс охлаждения замедляется, цезий начинает максимально интенсивно смешиваться с другими компонентами, что существенно усложняет конечный химический состав радиоактивной пыли.

Как пояснила автор исследования Ракия Дхауи, изменение времени пребывания веществ в зоне экстремальных температур полностью переформатирует ход химических реакций и способ интеграции летучих элементов в структуру новообразованных микрочастиц. Благодаря искусственной управляемой системе ученым наконец удалось заменить теоретические предположения точными физическими измерениями.

Глубокое понимание физико-химических процессов внутри огненного шара позволит экспертам будущего безошибочно определять характеристики взорвавшихся устройств и особенности топлива. Это открывает новые возможности для значительно более эффективного планирования защитных мер в случае масштабных кризисов, подобных катастрофам на Чернобыльской АЭС или станции Фукусима-Даичи.

Полные результаты этой масштабной научной работы уже опубликованы в престижном международном журнале Analytical Chemistry.