当核武器引爆或发生严重反应堆事故时，在不到百万分之一秒的时间内会释放出巨大的能量。极端的高温瞬间蒸发周围的空气和材料，形成一个绚丽、扩展的气体和等离子体云。随着这个核火球的膨胀，它与周围的气氛混合、冷却，最终凝聚成微小的固体颗粒，成为核尘埃。科学家们研究尘埃的形成，因为它能提供关于核事件发生情况的有价值线索，帮助改善用于安全评估的模型。在最近发表在《分析化学》上的一项新研究中，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员调查了铀、铈和铯在蒸发、化学反应和在精确控制的温度条件下凝结时的行为。他们的研究结果表明，一些广泛使用的尘埃模型可能忽略了在颗粒形成过程中发生的重要化学相互作用。重现核火球条件。“改变材料在高温下保持的时间可以改变化学反应，以及像铯这样挥发性元素如何被纳入颗粒中，”LLNL科学家和作者拉基亚·达哈乌表示。“这些颗粒保留了它们形成过程的记录。通过在控制系统中研究这些过程，我们可以用测量替代假设，改善用于解释核废物的模型，并在关键时刻支持决策。”为了调查这些过程，团队使用了一种等离子体流反应器，旨在模拟核火球内部环境的一部分。特定组合的材料被引入高温等离子体中，并被蒸发。产生的蒸气随后通过一个温度可精确控制的管道，材料在冷却的过程中通过该管道移动。该装置使研究人员能够暴露材料于两种不同的冷却场景中，称为热历史。在一种场景中，温度逐渐下降。在另一种场景中，材料在冷却前保持高温的时间更长。由于反应器持续运行，可以在多个位置收集样本，使科学家可以观察在颗粒形成过程中颗粒的变化。为什么冷却历史很重要。“历史尘埃研究表明，材料在冷却过程中所经历的路径是重要的，”达哈乌说。“冷却速率和高温下的时间可以改变化学物种和颗粒的形成。”研究人员选择了铀、铈和铯，因为它们在凝结过程中表现得不同。铀相对挥发性较低，早期就凝结，成为一个有用的基准。铈常常作为钚的替代品，其凝结方式与铀相似。然而，这两种元素的化学性质根据它们经历的热历史存在变化。铯的行为截然不同。与其他元素相比，铯的凝结发生得很晚，并且当其在高温下保持的时间更久时，它与铀和铈融合得更加广泛。改善核尘埃模型的结果表明，尘埃形成不仅取决于不同元素的凝结时间，还取决于当温度下降时它们之间的化学相互作用。许多现有的尘埃模型主要将材料视为独立行为，这意味着一些化学反应只被部分代表。通过在受控实验系统中隔离热历史的影响，研究人员生成了数据，可用于评估和改善长期以来依赖简化假设的尘埃模型。该团队计划通过研究更现实的材料混合来扩展工作，目标是更好地捕捉在现实核事件中控制尘埃形成的复杂过程。