科學家打造微型核火球 揭開放射性塵埃形成之謎

模擬核爆火球：理解放射性落塵的誕生

美國勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL）的研究人員正試圖深入了解核爆落塵（nuclear fallout）的形成機制。他們的研究發現不僅有助於改善核反應爐的安全模型，更能為緊急應變規劃與災後清除作業提供重要參考。

根據目前的科學認知，核爆發生時溫度會飆升至極端高溫——通常比太陽表面還要熾熱。這會使附近的土壤、混凝土、炸彈或反應爐組件、有機物等材料瞬間汽化，形成一團由過熱氣體與電漿構成的火球。

隨著火球膨脹、冷卻，微小粒子開始形成，這些粒子最終會如雨般降回地面，成為所謂的「核落塵」。

從核鑑識的角度來看，這些粒子就像微型的化學「化石」，可以被分析以還原現場資訊。它們保留了關於當時存在哪些材料、溫度有多高、高溫持續多久，以及可能發生了何種類型核事件的關鍵線索。

打造微型核火球模擬器

這些都是拼圖中的關鍵碎片，可用於協助規劃緊急應變、清除作業及武器監控。為此，LLNL 建造了一台名為「電漿流反應器」（plasma flow reactor）的特殊裝置，功能如同一部迷你人造核火球模擬器。

在反應器中，研究團隊可以汽化含有鈾（uranium）、鈰（cerium）和銫（cesium）的混合物，然後精確控制蒸氣的冷卻過程。這使他們能夠觀察粒子何時形成、哪些化學元素會相互結合，以及冷卻速度如何改變最終結果。

這項研究顛覆了舊有的理論模型。過去的模型傾向於將各元素視為彼此獨立、按照可預測的順序進行反應——通常假設鈾、銫和鈽（plutonium）會在各自固定的「凝固點」自行凝結。

然而，LLNL 的研究顯示，這些元素在冷卻過程中會相互產生化學影響。這意味著核落塵的生成過程遠比過去認為的更為混亂，更像是一鍋複雜的「化學湯」。

銫元素：比想像中更難預測的「百搭牌」

其中，銫的行為尤其出人意料——它往往會以氣態形式存在更長的時間。如果冷卻速度較慢，銫傾向於與其他元素更充分地混合，使落塵的化學組成隨時間變得更加複雜。

「改變材料停留在高溫狀態的時間長短，可以改變化學反應以及銫等揮發性元素被併入粒子的方式，」LLNL 科學家兼論文作者 Rakia Dhaoui 解釋道。

比過去認知更為複雜

「這些粒子保存了它們形成過程的紀錄。透過在受控系統中研究這些過程，我們可以用實際量測取代假設，改善用於解讀核碎片的模型，並在最關鍵的時刻支援決策，」Dhaoui 補充說明。

「歷史上的落塵研究顯示，材料在冷卻過程中所走的路徑至關重要，」Dhaoui 表示。「冷卻速率和高溫持續時間可以改變化學型態和粒子的形成。」

透過更深入地了解核爆後的冷卻過程，科學家將能夠判斷爆炸裝置的類型、其建造方式，以及所使用的材料。

這些知識進而可用於改善未來類似車諾比（Chornobyl）核災和福島第一核電廠核災等事件的規劃與應對能力。

該研究已發表於學術期刊《Analytical Chemistry》。

原文來源： 查看原文