Kaos u epruveti: Znanstvenici u laboratoriju simulirali nuklearnu eksploziju i doživjeli golemo iznenađenje

U kontroliranim uvjetima plazmatskog reaktora, stručnjaci su rekreirali ekstremne temperature nuklearne vatrene kugle. Ponašanje radioaktivnog cezija u potpunosti je iznenadilo istraživače i pokazalo da su dosadašnji modeli zaštite možda pogrešni.

Nuklearne katastrofe, bilo da su uzrokovane namjernim napadom ili nesrećom u elektrani, scenariji su koje čovječanstvo pod svaku cijenu želi izbjeći. No, kako bismo se od njih uspješno obranili i točno predvidjeli kretanje smrtonosnih radioaktivnih oblaka, moramo u detalje razumjeti kemiju koja se odvija u djeliću sekunde nakon eksplozije.

Upravo su to učinili znanstvenici iz uglednog Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore (LLNL) u SAD-u. Uspjeli su u laboratoriju simulirati ponašanje materijala unutar same nuklearne vatrene kugle – i došli do neočekivanog otkrića koje bi moglo promijeniti način na koji se svijet priprema za nuklearni fallout (radioaktivne padaline).

Simulacija pakla na 5.000 Kelvina

Kada nuklearno oružje detonira, u manje od milijuntinke sekunde oslobađa se nezamisliva energija. Ekstremna toplina u trenu isparava okolni zrak, tlo i samu bombu, stvarajući rastuću, zasljepljujuću kuglu plina i plazme. Kako se ta kugla širi i miješa s atmosferom, ona se hladi, a ispareni elementi ponovno prelaze u kruto stanje stvarajući sićušne čestice koje vjetar raznosi kilometrima daleko – to je ono što zovemo radioaktivnim padalinama.

Budući da se stvarna testiranja ne provode već desetljećima, znanstvenici su izgradili poseban plazmatski protočni reaktor, dugačak oko jedan metar. U njemu su razvili temperaturu od oko 5.000 Kelvina (gotovo 4.730 Celzijevih stupnjeva), što je dovoljno da se svaki materijal istog trena pretvori u paru, baš kao u pravoj eksploziji.

Uređaj su napunili trima ključnim elementima:

1. Uranijem (glavnim gorivom u nuklearnom oružju i reaktorima),

2. Cerijem (koji u laboratorijskim uvjetima služi kao zamjena za opasni plutonij),

3. Cezijem (izrazito hlapljivim i opasnim nusproduktom nuklearne fisije).

Cilj je bio promatrati kako se ti elementi ponašaju i kakve čestice formiraju dok se temperatura unutar cijevi postupno spušta.

Neočekivani obrat s cezijem

Znanstvenici su simulaciju proveli kroz dva različita scenarija hlađenja. U prvom scenariju, temperatura je padala ravnomjerno i kontinuirano. U drugom scenariju, materijali su namjerno zadržani na ekstremno visokim temperaturama dulje vrijeme, nakon čega je uslijedio nagli, brzi pad temperature.

Dok su se uranij i cerij u oba slučaja ponašali predvidljivo i rano kondenzirali (prešli iz plina u krute čestice), hlapljivi cezij priredio je znanstvenicima golemo iznenađenje.

U scenariju u kojem je visoka temperatura trajala dulje, cezij se kondenzirao znatno kasnije nego što se očekivalo, no ono što je najvažnije – počeo se intenzivno miješati s drugim elementima i stvarati neočekivano složene kemijske spojeve.

“Promjena vremena koje materijali provedu na visokoj temperaturi može dramatično izmijeniti kemijske reakcije i način na koji se hlapljivi elementi poput cezija ugrađuju u čestice padalina”, objašnjava kemičarka Rakia Dhaoui, vodeća autorica studije objavljene u časopisu Analytical Chemistry. “Povijesne studije su nagovještavale da je putanja kojom se materijali hlade važna, ali ovi rezultati to jasno dokazuju.”

Zašto je ovo važno za našu sigurnost?

Tradicionalni računalni modeli koje civilna zaštita i vojske diljem svijeta koriste za procjenu opasnosti od radioaktivnih oblaka oslanjaju se na tzv. ravnotežne modele. Ti modeli pretpostavljaju da su kemijske reakcije u nuklearnom oblaku stabilne, postojane i predvidljive.

Ovaj eksperiment je dokazao suprotno: nuklearni fallout je kaotičan, a brzina i način hlađenja vatrene kugle u potpunosti mijenjaju strukturu i toksičnost čestica koje će pasti na zemlju. To znači da bi trenutni sigurnosni modeli mogli pogrešno procjenjivati kretanje i zadržavanje cezija – jednog od najopasnijih elemenata u slučaju nuklearnog incidenta, koji se lako apsorbira u tlo i prehrambeni lanac.

Forenzika unazad

Osim što pomaže u boljoj pripremi za potencijalne katastrofe, ovo otkriće nudi znanstvenicima i moćan alat za “nuklearnu forenziku”.

“Ove novonastale čestice u sebi čuvaju trajan zapis o tome kako su točno formirane”, ističe Dhaoui. Analizom čestica padalina s nekog područja, znanstvenici sada mogu raditi “unazad” – precizno rekonstruirati temperaturu, snagu i točne uvjete koji su vladali u samom središtu eksplozije ili nuklearne nesreće.

Iako istraživači napominju da je ovo još uvijek pojednostavljen laboratorijski sustav u kojem nije bilo stvarnih nuklearnih reakcija, podaci dobiveni iz ove plazmatske cijevi poslužit će za nadogradnju globalnih računalnih modela. Sljedeći korak tima iz Lawrence Livermorea je uvođenje još složenijih mješavina materijala, kako bi se što vjernije preslikao stvarni kaos nuklearne eksplozije.