Ketika senjata nuklir meledak atau terjadi kecelakaan reaktor yang serius, ledakan energi yang sangat besar dilepaskan dalam waktu kurang dari sepersejuta detik. Panas ekstrem langsung menguapkan udara dan material di sekitarnya, menciptakan awan gas dan plasma yang bersinar dan meluas. Saat bola api nuklir ini membesar, ia bercampur dengan atmosfer sekitarnya, mendingin, dan akhirnya mengembun menjadi partikel padat kecil yang menjadi dampak nuklir.
Para ilmuwan mempelajari bagaimana dampak tersebut terbentuk karena dapat memberikan petunjuk berharga tentang apa yang terjadi selama peristiwa nuklir dan membantu meningkatkan model yang digunakan untuk penilaian keselamatan. Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan di Kimia analitikPara peneliti di Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) mempelajari perilaku uranium, cerium, dan cesium saat mereka menguap, bereaksi secara kimia, dan mengembun di bawah kondisi suhu yang dikontrol dengan cermat.
Hasilnya menunjukkan bahwa beberapa model dampak yang banyak digunakan mungkin mengabaikan interaksi kimia penting yang terjadi selama pembentukan partikel.
Menciptakan kembali kondisi bola api nuklir
“Mengubah lamanya waktu bahan berada pada suhu tinggi dapat mengubah reaksi kimia dan bagaimana unsur-unsur yang mudah menguap seperti cesium dimasukkan ke dalam partikel,” kata ilmuwan dan penulis LLNL, Rakia Dhaoui. “Partikel-partikel ini mencatat pembentukannya. Dengan mempelajari proses-proses ini dalam sistem yang terkendali, kita dapat mengganti asumsi dengan pengukuran, meningkatkan model yang digunakan untuk menafsirkan puing-puing nuklir, dan mendukung pengambilan keputusan pada saat yang paling penting.”
Untuk mempelajari proses ini, tim menggunakan reaktor aliran plasma yang dirancang untuk meniru bagian lingkungan di dalam bola api nuklir. Kombinasi bahan tertentu dimasukkan ke dalam plasma bersuhu tinggi, lalu diuapkan. Uap yang dihasilkan kemudian dialirkan melalui tabung di mana suhu dapat dikontrol secara hati-hati saat bahan didinginkan.
Pengaturan ini memungkinkan para peneliti memaparkan material pada dua skenario pendinginan berbeda, yang disebut sejarah termal. Dalam satu skenario, suhu menurun secara bertahap di seluruh tabung. Di sisi lain, bahan tetap panas lebih lama sebelum mendingin dengan cepat. Dengan reaktor yang beroperasi terus menerus, sampel dapat dikumpulkan dari berbagai lokasi, sehingga memungkinkan para ilmuwan mengamati evolusi partikel saat mereka terbentuk.
Mengapa sejarah pendinginan itu penting
“Studi dampak sejarah menunjukkan bahwa jalur yang diambil material saat mendingin adalah hal yang penting,” kata Dhaoui. “Laju dan durasi pendinginan pada suhu tinggi dapat mengubah spesiasi kimia dan pembentukan partikel.”
Para peneliti memilih uranium, cerium, dan cesium karena masing-masing berperilaku berbeda selama kondensasi. Uranium relatif lebih mudah menguap dan mengembun pada awal proses, sehingga menjadikannya sebagai patokan yang berguna. Cerium, yang sering digunakan sebagai pengganti plutonium, dikondensasi dengan cara yang sama seperti uranium. Namun, kedua unsur tersebut menunjukkan perubahan kimianya bergantung pada sejarah termal yang dialaminya.
Cesium berperilaku sangat berbeda. Ia mengembun jauh lebih lambat dibandingkan unsur lainnya, dan ketika dibiarkan pada suhu tinggi untuk jangka waktu yang lama, ia akan bercampur lebih banyak dengan uranium dan cerium.
Memperbaiki model dampak nuklir
Hasilnya menunjukkan bahwa pembentukan kejatuhan tidak hanya bergantung pada waktu kondensasi unsur-unsur yang berbeda, tetapi juga pada bagaimana unsur-unsur tersebut berinteraksi secara kimia satu sama lain ketika suhu turun. Banyak model dampak buruk yang ada memperlakukan material seolah-olah mereka berperilaku independen, yang berarti bahwa beberapa reaksi kimia ini hanya terwakili sebagian.
Dengan mengisolasi dampak sejarah termal dalam sistem eksperimental terkontrol, para peneliti menghasilkan data yang dapat digunakan untuk mengevaluasi dan meningkatkan model dampak yang telah lama mengandalkan asumsi yang disederhanakan.
Tim berencana untuk memperluas pekerjaan mereka dengan mempelajari campuran material yang lebih realistis, dengan tujuan untuk lebih memahami proses kompleks yang mengatur pembentukan dampak selama peristiwa nuklir yang sebenarnya.
