العلماء يعيدون إنشاء كرة نارية نووية ويكشفون عن الكيمياء الخفية للتداعيات

من خلال إعادة إنشاء كرة نارية نووية، اكتشف العلماء كيمياء غير متوقعة يمكن أن تغير كيفية فهم التداعيات الإشعاعية.

في الجزء الأول من الثانية بعد حدوث انفجار نووي أو حادث مفاعل كبير، يؤدي ارتفاع هائل في الطاقة إلى ارتفاع درجة حرارة البيئة المحيطة. يتم تبخير المواد والهواء القريب على الفور، مما يؤدي إلى إنشاء كرة نارية تتوسع بسرعة مكونة من الغاز و بلازما.

ومع نمو كرة النار هذه وتبريدها، تبدأ المادة المتبخرة في التكثف إلى جزيئات صلبة صغيرة. تصبح هذه الجسيمات في نهاية المطاف تساقطًا نوويًا.

إن الفهم الدقيق لكيفية تشكل التداعيات أمر مهم لتحسين تقييمات السلامة ومساعدة العلماء على إعادة بناء الأحداث التي وقعت أثناء حادث نووي. دراسة جديدة أجراها باحثون في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL)، نُشرت في الكيمياء التحليليةيلقي نظرة فاحصة على هذه العملية من خلال فحص كيفية تصرف اليورانيوم والسيريوم والسيزيوم أثناء تبخرها وتفاعلها وتبريدها في ظل ظروف يتم التحكم فيها بعناية.

وتشير النتائج إلى أن نماذج التداعيات شائعة الاستخدام قد تتجاهل التفاعلات الكيميائية المهمة التي تحدث عندما تتشكل الجسيمات.

قالت راكية ضاوي، عالمة ومؤلفة مشروع LLNL: “إن تغيير المدة التي تبقى فيها المواد في درجة حرارة عالية يمكن أن يغير التفاعلات الكيميائية وكيفية دمج العناصر المتطايرة مثل السيزيوم في الجزيئات”. “تحتفظ هذه الجسيمات بسجل لكيفية تشكلها. ومن خلال دراسة هذه العمليات في نظام خاضع للرقابة، يمكننا استبدال الافتراضات بالقياسات، وتحسين النماذج المستخدمة لتفسير الحطام النووي، ودعم اتخاذ القرار عندما يكون الأمر أكثر أهمية.”

محاكاة الظروف داخل كرة نارية نووية

وللتحقق من كيفية تطور الغبار المتساقط، استخدم الباحثون مفاعل تدفق البلازما المصمم لإعادة إنتاج جزء من البيئة الموجودة داخل كرة نارية نووية.

يسمح النظام للعلماء بإدخال مجموعات محددة من المواد في بلازما عالية الحرارة، حيث يتم تبخيرها. ثم ينتقل البخار الناتج عبر أنبوب حيث يمكن التحكم في درجة الحرارة بدقة أثناء تبريده.

اختبر الفريق سيناريوهين مختلفين للتبريد، يُعرفان باسم التاريخ الحراري. وفي إحدى الحالات، انخفضت درجة الحرارة بشكل مطرد مع تحرك المادة عبر المفاعل. وفي الحالة الثانية، بقي البخار عند درجة حرارة أعلى لفترة أطول قبل أن يبرد بسرعة.

ونظرًا لأن المفاعل يعمل بشكل مستمر، فقد تمكن الباحثون من جمع المواد في نقاط متعددة على طول النظام وملاحظة كيفية تغير الجسيمات بمرور الوقت.

قال الضاوي: “تشير دراسات التداعيات التاريخية إلى أن المسار الذي تتخذه المواد أثناء تبريدها أمر مهم”. “معدل التبريد والوقت عند درجة حرارة مرتفعة يمكن أن يغير الأنواع الكيميائية وتكوين الجسيمات.”

كيف يتصرف اليورانيوم والسيريوم والسيزيوم

اختار الباحثون اليورانيوم والسيريوم والسيزيوم لأن كل عنصر يتصرف بشكل مختلف أثناء عملية التكثيف.

اليورانيوم أقل تطايرًا نسبيًا، مما يعني أنه تكثف مبكرًا وكان بمثابة مرجع مفيد للمقارنة. وأظهر السيريوم، الذي غالبا ما يستخدم كبديل للبلوتونيوم في الدراسات المختبرية، نمط تكثيف مشابه لليورانيوم. ومع ذلك، أظهر كلا العنصرين تغيرات في كيمياءهما اعتمادًا على التاريخ الحراري الذي مروا به.

وبرز السيزيوم عن العناصر الأخرى.

وعلى عكس اليورانيوم والسيريوم، تكثف السيزيوم في وقت لاحق بكثير. وعندما بقي في درجات حرارة مرتفعة لفترات أطول، اختلط بشكل أكبر بكثير مع المواد الأخرى في النظام.

تشير هذه الملاحظات إلى أن تكوين الغبار المتساقط لا يعتمد فقط على وقت تكثيف العناصر المختلفة، بل أيضًا على كيفية تفاعلها كيميائيًا أثناء التبريد.

تحسين نماذج التداعيات النووية

تتعامل العديد من نماذج التداعيات الحالية مع المواد إلى حد كبير كمكونات منفصلة وتأخذ في الاعتبار جزئيًا فقط التفاعلات الكيميائية التي تحدث بين العناصر. تشير النتائج الجديدة إلى أن تلك التفاعلات يمكن أن تلعب دورًا أكبر بكثير مما تم الاعتراف به سابقًا.

ومن خلال عزل تأثيرات التاريخ الحراري في بيئة تجريبية خاضعة للرقابة، أنتج الباحثون بيانات قيمة يمكن استخدامها لاختبار وتحسين النماذج التي اعتمدت منذ فترة طويلة على افتراضات مبسطة.

ويخطط الفريق لمواصلة العمل من خلال دراسة مجموعات أكثر واقعية من المواد، بهدف فهم تعقيد تكوين المخلفات في ظل ظروف العالم الحقيقي بشكل أفضل.

المرجع: “تأثيرات التدرج الحراري على تطور الأكسدة والاختزال والتجزئة المدفوعة بالتطاير في مكثفات U/Ce/Cs الثلاثية” بقلم راكيا ضاوي، وإميلي إن. ويراكودي، وتيموثي بي. روز، وباتيكان كوروغلو، وإنريكا بالبوني، 24 أبريل 2026، الكيمياء التحليلية.
دوى: 10.1021/acs.analchem.5c07929

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.