Naučnici iz američke Nacionalne laboratorije Lorens Livermor (LLNL) u Kaliforniji napravili su laboratorijsku verziju procesa koji se inače dešava u najstrašnijim uslovima koje čovek može da zamisli: u prvim trenucima posle nuklearne detonacije ili teške nuklearne nesreće. Cilj nije stvaranje oružja, već razumevanje radioaktivne prašine, odnosno sitnih čestica koje se formiraju kada se pregrejani oblak gasa i plazme ohladi i počne da se kondenzuje.
U manje od milionitog dela sekunde posle nuklearne eksplozije ili ozbiljne nesreće u reaktoru oslobađa se ogromna energija. Temperatura naglo raste do nivoa koji nadmašuje uslove poznate iz običnih požara i industrijskih havarija. Zemljište, beton, metalni delovi, komponente uređaja ili reaktora, organski materijali i sve što se nalazi u neposrednoj blizini mogu da ispare i postanu deo užarenog oblaka.
Taj oblak je nuklearna vatrena lopta, smeša gasa, plazme i isparenih materijala. Kako se širi, meša se sa vazduhom, hladi i počinje da stvara sitne čvrste čestice. Upravo te čestice kasnije padaju na zemlju kao radioaktivni otpad, poznatiji kao nuklearne padavine.
Na prvi pogled deluje kao jednostavan proces: nešto ispari, zatim se ohladi i ponovo očvrsne. Međutim, nova istraživanja pokazuju da je stvarnost mnogo komplikovanija. Radioaktivna prašina ne nastaje samo kao posledica hlađenja pojedinačnih elemenata, već kroz niz hemijskih reakcija između materijala koji se zajedno nalaze u vatrenoj lopti.
Istraživački tim iz LLNL koristio je uređaj nazvan plazma protočni reaktor. To je kontrolisani laboratorijski sistem koji ne pravi pravu nuklearnu eksploziju, već simulira deo procesa koji se odvija dok se vreli materijal hladi i kondenzuje u čestice. U njega se uvode mešavine materijala koje sadrže uranijum, cerijum i cezijum, zatim se isparavaju u visokotemperaturnoj plazmi, a potom se prati šta se dešava dok se para kreće kroz prostor sa kontrolisanim temperaturnim promenama.
Tako naučnici mogu da posmatraju kada počinje formiranje čestica, koji elementi se vezuju jedni za druge, kako nastaju različita hemijska jedinjenja i koliko brzina hlađenja menja konačan sastav radioaktivnog otpada.
Upravo tu je najveće otkriće. Stariji modeli često su posmatrali elemente kao da se ponašaju gotovo odvojeno i predvidljivo. Pretpostavljalo se da će se uranijum, cezijum ili plutonijum kondenzovati po relativno jasnom redosledu, na određenim temperaturama, gotovo kao da svaki ima svoju „tačku smrzavanja“ u složenom oblaku.
Eksperimenti LLNL-a pokazuju da to nije dovoljno. Elementi hemijski utiču jedni na druge dok se sistem hladi. Rezultat nije uredna i jednostavna kondenzacija, već mnogo složenija mešavina reakcija, oksidacije, isparljivosti i međusobnog vezivanja. Nuklearne padavine nastaju kao hemijska „supa“, a ne kao niz uredno odvojenih slojeva.
Posebno zanimljiv je cezijum. On je jedan od najproblematičnijih elemenata u nuklearnim incidentima upravo zato što je isparljiv i može da se širi na velike udaljenosti. Nova istraživanja pokazuju da se cezijum ponaša manje predvidljivo nego što se ranije mislilo. Često ostaje u gasovitom stanju duže nego što bi jednostavni modeli očekivali, a brzina hlađenja može značajno da utiče na to da li će se i kako ugraditi u čestice.
Naučnica Rakija Daui iz LLNL-a objasnila je da promena vremena tokom kog materijali ostaju na visokoj temperaturi može da promeni hemijske reakcije i način na koji se isparljivi elementi poput cezijuma ugrađuju u čestice. To je važan detalj, jer upravo takve čestice kasnije nose tragove događaja koji ih je stvorio.
Sa stanovišta nuklearne forenzike, radioaktivne čestice su kao mikroskopski hemijski fosili. U njima ostaje zapis o tome koji su materijali bili prisutni, koliko su bili zagrejani, koliko dugo su temperature ostale visoke i kakav se proces hlađenja dogodio. Analizom tih čestica moguće je bolje rekonstruisati da li je došlo do nuklearne eksplozije, teške reaktorske nesreće ili nekog drugog događaja, kao i koji su materijali bili uključeni.
To je bitno za bezbednosne modele, planiranje reakcije u vanrednim situacijama, forenzičko praćenje nuklearnog materijala i operacije dekontaminacije. Posle događaja poput Černobilja ili Fukušime, pitanje nije samo koliko je radioaktivnosti oslobođeno, već u kom obliku, u kakvim česticama, kako se širi i gde će se taložiti.
Ako modeli pogrešno pretpostave kako se cezijum, uranijum ili drugi elementi ugrađuju u čestice, pogrešno se može proceniti i kretanje opasnog materijala, rizik po stanovništvo i način čišćenja kontaminiranih zona.
LLNL pokušava da zameni pretpostavke merenjima. Plazma protočni reaktor ne može da ponovi punu složenost prave nuklearne vatrene lopte, ali može da izdvoji ključne procese i omogući kontrolisano merenje. To je njegova glavna vrednost: naučnici mogu da menjaju uslove, brzinu hlađenja i sastav materijala, a zatim da vide kako se menja krajnji rezultat.
Studija, objavljena u časopisu Analytical Chemistry, pokazuje da putanja hlađenja materijala ima ogroman značaj. Nije dovoljno znati samo početnu temperaturu i konačni sastav. Važno je koliko dugo je materijal ostao vreo, kojom brzinom se hladio, u kakvom hemijskom okruženju se nalazio i koji elementi su bili prisutni u isto vreme.
