Немецкая научная группа впервые провела фазовый анализ «горячих частиц» Чернобыля: кристаллическая структура ядерного топлива демонстрирует сверхожидаемую химическую стабильность спустя 40 лет

Спустя почти 40 лет после аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году исследовательская группа Ганноверского университета имени Лейбница (Leibniz University Hannover) и Центра имени Гельмгольца в Дрездене-Розендорфе (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, HZDR) выполнила первый в мире прецизионный кристаллический фазовый анализ (Phase Analysis) на основе синхротронного рентгеновского излучения шести микронных высокорадиоактивных фрагментов (в отрасли известных как “горячие частицы”, Hot Particles), выброшенных при разрушении реактора. Соответствующие прорывные результаты исследований были официально опубликованы в ведущем журнале в области экологии и радиоэкологии «Журнал опасных материалов» (Journal of Hazardous Materials).

Во время мощного взрыва и последовавшего за ним графитового пожара большое количество вещества активной зоны реактора было выброшено в атмосферу и окружающую среду и до сих пор присутствует в почве зоны отчуждения в виде мельчайшей пыли. Физик-радиоэколог Ганноверского университета имени Лейбница Тобиас Вайсенборн (Tobias Weissenborn) отмечает, что выброшенные при аварии частицы существуют преимущественно в трёх формах: первая в физическом и химическом отношении в значительной степени сохраняет характеристики исходного ядерного топлива — диоксида урана (UO₂); вторая при мгновенном перегреве и расплавлении реактора тесно сплавляется и инкапсулируется совместно с окружающей жаропрочной циркониевой оболочкой; третья же из-за интенсивного горения графитового замедлителя в течение 10 дней глубоко окисляется до микронных аэрозолей, таких как закись-окись урана (U₃O₈), обладающих слабой механической прочностью, легко выветривающихся, измельчающихся и переносимых ветром.

Чтобы выяснить механизмы долговременного выветривания этих радиоактивных частиц размером всего от 8 до 50 микрометров в природной среде, группа кристаллографа HZDR доктора Кристофа Хеннига (Dr. Christoph Hennig) создала высокоточный стенд микрофокусной дифракции на пучковой линии Розендорфа (Rossendorf Beamline) Европейского источника синхротронного излучения в Гренобле, Франция. Исследователи закрепили отдельные микрочастицы, отобранные из образцов украинской почвы, на острие вольфрамовой электродной иглы и поместили их под пучок высокояркого рентгеновского излучения со сфокусированным пятном всего 100 микрометров (что соответствует толщине человеческого волоса), собирая с помощью прецизионного вращающегося устройства сигналы дифракции со всех направлений под 2000 различными углами проекции, что позволило неразрушающим методом определить множественные оксидные фазы и кристаллические дефекты внутри микроразмерных фрагментов.

Экспериментальный анализ выявил неожиданное явление: после 40 лет сурового физического выветривания в природной среде и воздействия подземных вод кристаллический каркас ядерного топлива из диоксида урана в обследованных частицах до сих пор сохраняет высокую целостность, демонстрируя химическую стабильность, значительно превосходящую прежние ожидания научного сообщества. Это означает, что плотная кристаллическая структура на микроуровне эффективно блокирует скорость растворения и высвобождения внутренних продуктов деления (Fission Products) в глубокие слои почвы и окружающую водную сеть.

Однако исследовательская группа подчёркивает, что различия в кристаллических фазах отдельных частиц чрезвычайно значительны, и на основании всего шести образцов, отобранных из двух точек, невозможно сделать универсальные выводы для всей территории Чернобыля. Вайсенборн осторожно отмечает, что даже если общая деградация носит циклический характер, в окружающей среде всё ещё существуют «долгоживущие аномальные частицы», высвобождающие радионуклиды, и в ближайшее время в Чернобыльской зоне отчуждения (Chernobyl Exclusion Zone) не может быть ослаблено ни одно защитное ограничение. В настоящее время совместная немецко-французская научная группа уже начала последующие эксперименты, сосредоточенные на микроскопической динамике эволюции фазовых состояний трансурановых элементов (Transuranic Elements) в этих исторических фрагментах.