Nuklearer Fallout: Cäsium verhält sich beim Abkühlen eines Feuerballs anders

Nuklearer Fallout – unabhängig davon, ob er absichtlich oder versehentlich ausgelöst wird – ist etwas, das hoffentlich nie eintritt.

Sollte es dennoch dazu kommen, ist das Verständnis der Folgen ein entscheidender Bestandteil von Sicherheitsplanung und Katastrophenmanagement.

Simulation von Nuklear-Fallout im Plasmaflussreaktor

Vor diesem Hintergrund führten Forschende des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA kontrollierte Versuche in einem Hochtemperatur-Plasmarohr durch. Sie bildeten einen Abschnitt eines nuklearen Feuerballs nach, um zu untersuchen, wie sich bei einer Kernspaltungsreaktion verdampfte Teilchen beim Abkühlen verhalten.

Als Ausgangselemente verwendete das Team Uran, das in vielen Waffen und Reaktoren als Brennstoff dient, Cäsium, ein radioaktives Nebenprodukt der Kernspaltung, sowie Cer, das als Ersatzstoff für Plutonium eingesetzt wurde, welches in Kernwaffen verwendet wird.

Entscheidend war, dass die Forschenden für ihre Auswertung zwei unterschiedliche Szenarien beziehungsweise Temperaturverläufe modellierten: einen gleichmäßigen, fortlaufenden Abkühlungsverlauf und ein Szenario, in dem die Temperaturen zunächst sehr hoch gehalten wurden und anschließend rasch absanken.

„Wenn sich verändert, wie lange Materialien bei hoher Temperatur verbleiben, kann das chemische Reaktionen und die Einbindung flüchtiger Elemente wie Cäsium in Partikel verändern“, sagt die Chemikerin Rakia Dhaoui.

„Historische Fallout-Studien zeigen, dass der Weg, den Materialien beim Abkühlen nehmen, wichtig ist.“

Mithilfe ihres etwa einen Meter langen Plasmaflussreaktors erhitzte das Team die Elemente auf ungefähr 5.000 Kelvin, also 4.727 Grad Celsius.

Der anfängliche extrem heiße Feuerball verdampfte sämtliche Stoffe, wie es auch bei einer nuklearen Explosion geschehen würde. Besonders interessierte die Forschenden jedoch, wie die drei ursprünglichen Elemente anschließend kondensieren und Partikel bilden.

Uran, Cer und Cäsium bei unterschiedlichen Abkühlungsraten

Bei Uran und Cer ähnelten sich die Muster weitgehend.

Beide kondensierten in den Szenarien mit kontinuierlicher ebenso wie mit verzögerter Abkühlung relativ früh, sobald die Temperatur zu sinken begann. Allerdings unterschieden sich die zusätzlichen Verbindungen, die die Elemente eingingen, teilweise.

Cäsium überraschte das Forschungsteam am stärksten, weil es sich unerwartet verhielt.

In beiden Abkühlungsszenarien kondensierte es deutlich später als Uran und Cer. In dem Szenario, bei dem die Temperatur länger hoch blieb, vermischte sich Cäsium zudem stärker mit anderen Elementen und bildete komplexere Verbindungen.

Die Erkenntnisse helfen nicht nur dabei, Nuklear-Fallout im Voraus besser zu verstehen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können damit auch rückwärts arbeiten: Sie können die Ergebnisse eines nuklearen Ereignisses untersuchen und auf die Bedingungen schließen, unter denen die kondensierten Partikel entstanden sind.

„Diese Partikel bewahren ein Protokoll ihrer Entstehung“, sagt Dhaoui.

„Indem wir diese Prozesse in einem kontrollierten System untersuchen, können wir Annahmen durch Messungen ersetzen, die Modelle zur Interpretation nuklearer Rückstände verbessern und Entscheidungen unterstützen, wenn es am wichtigsten ist.“

Neue Erkenntnisse für Modelle radioaktiver Wolken

Die Bandbreite der hier durchgeführten Experimente steht im Gegensatz zu herkömmlichen Modellen radioaktiver Wolken, den sogenannten Gleichgewichtsmodellen.

Diese Ansätze gehen von stabileren und gleichmäßigeren chemischen Reaktionen aus. Dadurch könnten ihnen die Feinheiten entgehen, die durch unterschiedliche Abkühlungsgeschwindigkeiten entstehen – wie das Beispiel Cäsium hier zeigt.

Zugegeben handelt es sich weiterhin um ein vereinfachtes, unter Laborbedingungen kontrolliertes System, und im Plasmarohr fanden keine tatsächlichen Kernreaktionen statt.

Dennoch schlagen die Forschenden vor, die neuen Ergebnisse gemeinsam mit Resultaten anderer Modelle auszuwerten, um ein klareres Bild der Chemie von Nuklear-Fallout zu erhalten.

Die Folgen reichen außerdem über nukleare Zwischenfälle hinaus. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten auch auf andere Hochtemperaturumgebungen übertragbar sein, während sich der Systemaufbau erweitern lässt, um weitere Arten von Elementen und Verbindungen einzubeziehen.

Künftig könnten Versuche dieser Art komplexer gestaltet und so modelliert werden, dass sie realen Szenarien stärker ähneln – etwa einem Kernreaktor, der von Beton, Wasser, Glas, Boden und weiteren Materialien umgeben ist.

„Obwohl der Reaktor die vollständige chemische Komplexität eines nuklearen Feuerballs nicht nachbilden kann, stellt er eine kontrollierte Plattform bereit, um Mechanismen zu isolieren, die die Wechselwirkung zwischen flüchtigen und feuerfesten Komponenten verzögern oder beschleunigen“, schreiben die Forschenden in ihrer veröffentlichten Studie.

„Diese Fähigkeit stärkt die Bemühungen, Fraktionierungssignaturen in vereinfachten Rückstandssystemen zu interpretieren.“

Die Studie wurde in Analytical Chemistry veröffentlicht.