ساخت گوی آتشین مینیاتوری در آزمایشگاه برای درک چگونگی شکل‌گیری بارش رادیواکتیو

پژوهشگران «آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور» (LLNL) تلاش می‌کنند بفهمند در جریان «بارش رادیواکتیو» (nuclear fallout) دقیقاً چه اتفاقی رخ می‌دهد. یافته‌های آن‌ها می‌تواند به بهبود مدل‌های ایمنی برای رآکتورهای هسته‌ای کمک کند و همچنین برای برنامه‌ریزی‌های اضطراری و عملیات پاکسازی بسیار مفید باشد.

بر اساس آنچه فعلاً می‌دانیم، هنگام یک انفجار هسته‌ای، دما به‌شدت بالا می‌رود؛ معمولاً داغ‌تر از سطح خورشید. این دما باعث می‌شود مواد اطراف مانند خاک، بتن، اجزای بمب یا رآکتور، مواد آلی و غیره، در لحظه تبخیر شوند.

این فرآیند، آن‌ها را به ابری فوق‌داغ از گاز و پلاسما تبدیل می‌کند که از آن با عنوان «گوی آتشین» (fireball) یاد می‌شود. این گوی آتشین سپس منبسط شده، سرد می‌شود و در این فرآیند، ذرات بسیار ریزی شروع به شکل‌گیری می‌کنند. همین ذرات هستند که بعداً دوباره به سطح زمین بازمی‌گردند و به‌عنوان «بارش رادیواکتیو» شناخته می‌شوند.

از دید ساختارشناسی هسته‌ای، این ذرات مانند «فسیل‌های شیمیایی» بسیار کوچک عمل می‌کنند که می‌توان آن‌ها را تحلیل کرد. این ذرات سرنخ‌هایی را درباره این‌که چه موادی حضور داشته‌اند، دما تا چه حد بالا رفته، چه مدت دما در سطح بالا باقی مانده و احتمالاً چه نوع رویداد هسته‌ای رخ داده، در خود حفظ می‌کنند.

درک بهتر بارش رادیواکتیو

همه این‌ها قطعات حیاتی یک پازل هستند که می‌توان از آن‌ها برای برنامه‌ریزی پاسخ اضطراری، عملیات پاکسازی و پایش و کنترل تسلیحات استفاده کرد. در همین راستا، LLNL دستگاه ویژه‌ای به نام «رآکتور جریان پلاسما» (plasma flow reactor) ساخته است که مانند یک شبیه‌ساز کوچک و مصنوعیِ گوی آتشین هسته‌ای عمل می‌کند.

در داخل این دستگاه، تیم پژوهشی می‌تواند مخلوط‌هایی شامل اورانیوم، سریم و سزیم را تبخیر کند و سپس نحوه سرد شدن این بخار را کنترل نماید. این کار به آن‌ها اجازه می‌دهد ببینند ذرات در چه زمانی تشکیل می‌شوند، چه ترکیبات شیمیایی با هم پیوند می‌خورند و این‌که سرعت سرد شدن چگونه نتیجه نهایی را تغییر می‌دهد.

این رویکرد، در تضاد با مدل‌های قدیمی است که عناصر را تا حد زیادی به‌صورت مستقل و در توالی‌های قابل‌پیش‌بینی در نظر می‌گرفتند. در آن مدل‌ها، معمولاً فرض بر این بود که اورانیوم، سزیم و پلوتونیوم هر یک به‌طور جداگانه و در «نقاط انجماد» مشخص خود متراکم و سرد می‌شوند.

اما کار LLNL نشان می‌دهد که به نظر می‌رسد این عناصر در حین سرد شدن، از نظر شیمیایی بر یکدیگر اثر می‌گذارند. این یعنی تولید بارش رادیواکتیو به‌مراتب آشفته‌تر، پیچیده‌تر و شبیه یک «سوپ» درهم‌تنیده است تا یک فرآیند ساده و خطی که قبلاً تصور می‌شد.

به‌ویژه سزیم، بسیار غیرقابل‌پیش‌بینی‌تر از آن چیزی است که پیش‌تر فرض می‌شد و اغلب برای مدت طولانی‌تری در حالت گازی باقی می‌ماند. اگر سرد شدن کندتر رخ دهد، سزیم تمایل دارد با سایر عناصر به شکل کامل‌تر مخلوط شود و این موضوع، شیمی بارش رادیواکتیو را در طول زمان پیچیده‌تر می‌کند.

راکیا داوی، دانشمند LLNL و نویسنده این مطالعه، توضیح می‌دهد: «تغییر مدت زمانی که مواد در دمای بالا باقی می‌مانند می‌تواند واکنش‌های شیمیایی را دگرگون کند و بر این‌که عناصر فراری‌ مانند سزیم چگونه در ذرات جای می‌گیرند تأثیر بگذارد.»

پیچیده‌تر از آن‌چه قبلاً تصور می‌شد

او ادامه می‌دهد: «این ذرات، یک رکورد یا سابقه از چگونگی شکل‌گیری خود را حفظ می‌کنند. با مطالعه این فرآیندها در یک سامانه کنترل‌شده، می‌توانیم فرضیات را با اندازه‌گیری‌ها جایگزین کنیم، مدل‌هایی را که برای تفسیر آوار هسته‌ای استفاده می‌شوند بهبود دهیم و در زمانی که تصمیم‌گیری بیشترین اهمیت را دارد، از آن پشتیبانی کنیم.»

داوی می‌گوید: «مطالعات تاریخی درباره بارش رادیواکتیو نشان می‌دهند که مسیر خنک شدن مواد بسیار مهم است. نرخ سرد شدن و مدت زمان ماندن در دمای بالا می‌تواند گونه‌زایی شیمیایی و شکل‌گیری ذرات را تغییر دهد.»

با درک بهتر فرآیند سرد شدن در پیِ انفجارهای هسته‌ای، دانشمندان قادر خواهند بود بهتر تشخیص دهند چه نوع دستگاهی منفجر شده، چگونه طراحی و ساخته شده و چه موادی در آن به‌کار رفته است.

این شناخت، به نوبه خود می‌تواند برای برنامه‌ریزی بهتر و واکنش مؤثرتر به رویدادهایی مانند فاجعه چرنوبیل و فاجعه نیروگاه هسته‌ای فوکوشیما دای‌ایچی در آینده مورد استفاده قرار گیرد.

منبع: روزیاتو