Через майже сорок років після аварії на Чорнобильській АЕС частина радіоактивних уламків поводиться не так, як очікували дослідники. Аналіз мікроскопічних фрагментів ядерного палива показав, що їхня кристалічна структура значною мірою збереглася, а продукти поділу залишаються «запечатаними» всередині. Про це повідомляє SciTechDaily.
Після вибуху реактора 26 квітня 1986 року радіоактивний пил розлетівся на великі відстані, забруднивши ґрунти навколо станції та в інших регіонах Європи. Частинки розміром лише від 8 до 50 мікрометрів і досі залишаються дуже радіоактивними. Щоб оцінити їхню небезпеку, потрібно розуміти, як швидко вони руйнуються та вивільняють радіонукліди, але темпи «вивітрювання» різних гарячих частинок досі погано пояснені.
Кристалічна решітка палива збереглася
Команда з Університету Ляйбніца в Ганновері та Центру Гельмгольца Дрезден–Россендорф (HZDR) дослідила шість таких фрагментів. Виявилося, що кристалічна структура ядерного палива в них загалом залишилася неушкодженою, а самі частинки хімічно стабільніші, ніж вважали раніше.
Ці гарячі частинки й надалі утримують продукти поділу — речовини, що утворюються під час розщеплення ядер. Це може обмежувати потрапляння радіоактивних елементів у навколишній ґрунт і воду та допомагає точніше оцінювати ризики, пов’язані з довготривалим забрудненням.
2 000 ракурсів для кожної частинки
Щоб зазирнути всередину цих мікроскопічних уламків, вчені використали складні експерименти з синхротронною рентгенівською дифракцією. Метод дозволяє визначити внутрішню будову матеріалу за тим, як він розсіює рентгенівське випромінювання.
Кристалограф HZDR доктор Крістоф Генніг (Christoph Hennig) провів перше успішне структурне дослідження такого типу на лінії Rossendorf у Греноблі разом із фізиком і докторантом Університету Ляйбніца Тобіасом Вайсенборном (Tobias Weissenborn).
Спершу команда різними методами виділила гарячі частинки з українських зразків ґрунту та закріпила їх на вольфрамових електродах. Потім зразки помістили в кілька шарів захисних оболонок і відправили до Гренобля для вимірювань.
Дослідникам довелося розробити спосіб, як саме «просвічувати» такі об’єкти. Зрештою вони повністю обертали кожну частинку в сфокусованому до 100 мікрометрів рентгенівському промені — це приблизно товщина людської волосини. Кожен фрагмент вимірювали під 2 000 різними кутами, щоб безперервно зафіксувати всі дифракційні відбиття.
Отримані дані дозволили ідентифікувати різні оксидні фази — відмінні кристалічні форми оксидів урану в межах одного зразка. Такий фазовий аналіз дає змогу оцінити, як швидко фрагменти руйнуються й переходять у інші уранові оксиди, вивільняючи радіоактивні речовини.
Три типи гарячих частинок
Структура частинок відображає умови, яких зазнало паливо під час аварії. За словами Вайсенборна, можна виділити три основні класи.
Перший — це частинки, що хімічно й фізично все ще дуже схожі на вихідне ядерне паливо, діоксид урану (UO₂). Другий тип — фрагменти, де паливо частково або повністю оточене, чи навіть повністю сплавлене з цирконієвим шаром оболонки.
Такі «сплавлені» частинки утворилися, коли температура в реакторі різко зросла, паливо розплавилося й з’єдналося зі своєю захисною оболонкою з цирконію — металу з високою хімічною стійкістю.
Третій тип виник, коли загорівся графітовий модератор, що зазвичай уповільнює швидкі нейтрони й підтримує ланцюгову реакцію. Під час аварії графіт горів близько десяти днів, і в цьому процесі паливо окислювалося до різних уранових оксидів.
Серед них утворювався, зокрема, U₃O₈ — механічно нестійка сполука, яка легко розсипається на мікроскопічні частинки, що можуть переноситися вітром. Вдихання такого радіоактивного пилу становить серйозну загрозу для здоров’я, тому для входу в уражені зони досі потрібні захисні костюми.
Шість частинок — ще не карта ризиків
Попри виявлену стабільність досліджених фрагментів, ці результати не можна автоматично поширювати на всю забруднену територію. Вайсенборн наголошує, що кожна гаряча частинка має свою унікальну структуру, а експеримент охопив лише шість зразків із двох локацій.
Щоб виявити загальні закономірності, потрібно дослідити значно більше частинок із багатьох різних місць. Навіть якщо вдасться отримати певні середні характеристики, це не дозволить робити універсальні висновки про ризики для здоров’я в регіоні.
Навіть за відносно однорідного руйнування завжди будуть «винятки» — більш стійкі частинки, які вивільнять радіонукліди значно пізніше. Тому нинішні результати не дають підстав послаблювати обмеження в Чорнобильській зоні відчуження.
Вайсенборн і Генніг уже проводять подальші експерименти, зосереджені на високоактивних трансуранових фазах уламків — сполуках елементів із атомними номерами, вищими за уран. Такі дослідження мають допомогти точніше оцінити довгострокову поведінку радіоактивних матеріалів у зоні аварії.