Спустя четыре десятилетия после ядерной катастрофы в Чернобыле (сегодня используется написание Чорнобиль, Chornobyl) микроскопические радиоактивные частицы по-прежнему рассеяны в окружающей почве. Взрывы, разрушившие реактор, выбросили огромное количество обломков и оставили после себя загрязнение, которое продолжает представлять серьёзную опасность для здоровья. Даже спустя 40 лет частицы размером всего от 8 до 50 микрометров остаются сильно радиоактивными, и входить в пострадавшие районы по-прежнему необходимо в защитной одежде.
Теперь учёные внимательнее изучили эти крошечные остатки и сделали неожиданное открытие: некоторые из них сохранили значительную часть своей первоначальной внутренней структуры, несмотря на десятилетия воздействия окружающей среды.
«Эти частицы делятся на три класса, — объясняет Тобиас Вайсенборн, физик и докторант Ганноверского университета имени Лейбница. — Во-первых, это частицы, которые химически и физически всё ещё очень похожи на ядерное топливо — диоксид урана. Во-вторых, частицы, частично или полностью заключённые в слой циркония или полностью слившиеся с ним».
Вторая категория возникла при экстремальных температурах внутри реактора. Когда ядерное топливо плавилось, оно соединялось с цирконием — очень стойким металлом, из которого сделана защитная внешняя оболочка топлива.
«Частицы третьего типа образовались, когда загорелся графитовый замедлитель», — добавляет Вайсенборн.
В обычных условиях работы графитовый замедлитель замедляет быстрые нейтроны, помогая поддерживать ядерную цепную реакцию. Но во время катастрофы графит воспламенился и горел десять дней.
«При этом топливо окислялось до различных оксидов урана», например U3O8.
В отличие от более стабильных материалов, этот оксид урана механически хрупок и легко распадается на микроскопические фрагменты. Затем ветер может разносить эти радиоактивные частицы по окружающей среде, а их вдыхание представляет серьёзную опасность для здоровья.
Учёные изучили радиоактивную пыль Чорнобиля с беспрецедентной детализацией
Несмотря на десятилетия исследований, учёные до сих пор не до конца понимают, почему радиоактивные частицы из Чорнобиля разрушаются с разной скоростью. При выветривании этих материалов могут образовываться несколько форм оксида урана, что затрудняет прогнозирование их долгосрочного поведения.
Для изучения этих изменений требуется исключительно точное оборудование, в том числе синхротронная рентгеновская дифракция — метод, позволяющий выявить расположение атомов внутри кристаллических материалов.
Доктор Кристоф Хенниг, кристаллограф из Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), впервые успешно провёл структурный анализ радиоактивных фрагментов такого рода на станции Rossendorf Beamline в Гренобле.
Совместно с Вайсенборном Хенниг проанализировал шесть частиц, собранных в районе Чорнобиля. Определив различные кристаллические фазы внутри них, исследователи получили сведения, которые могут помочь установить, как быстро радиоактивные вещества попадают в окружающую среду.
«Мы с коллегами из Ганновера разными методами выделили частицы из образцов украинской почвы и закрепили их на вольфрамовых электродах», — рассказывает Вайсенборн.
Поскольку образцы были сильно радиоактивными, перед транспортировкой в Гренобль их пришлось заключить в несколько слоёв защитной упаковки. Там исследовательская группа Хеннига с помощью рентгеновской дифракции изучила их внутреннюю структуру, измеряя рассеяние рентгеновских лучей при прохождении через материал.
«Сначала нам нужно было придумать, как исследовать структуру частиц, — объясняет Кристоф Хенниг. — В итоге мы полностью поворачивали частицы в рентгеновском пучке, сфокусированном до 100 микрометров — примерно толщины человеческого волоса. Каждую частицу мы измеряли под 2000 разных углов, чтобы без пропусков зафиксировать все отражения».
Измерения позволили учёным различить разные фазы оксида урана внутри радиоактивных фрагментов и выявить детали, прежде недоступные для изучения.
Неожиданное открытие о 40-летних ядерных выпадениях
Результаты оказались неожиданными. Несмотря на четыре десятилетия в окружающей среде, ядерное топливо внутри шести исследованных частиц сохранило значительную часть своей исходной кристаллической структуры.
Это говорит о том, что по крайней мере часть радиоактивных обломков, образовавшихся в результате чорнобыльской катастрофы, химически стабильнее, чем считали исследователи.
Такая стабильность может иметь важные последствия для окружающей среды. Судя по всему, частицы не быстро высвобождают радиоактивные вещества, а способны удерживать продукты деления в своей структуре. Если такое поведение встречается шире, это могло бы помочь ограничить перемещение радиоактивных загрязнителей в близлежащие почву и воду.
Однако исследователи подчёркивают, что их результаты не следует трактовать как доказательство того, что радиоактивное загрязнение Чорнобиля становится безвредным.
«Однако у каждой отдельной частицы своя структура, — предупреждает Вайсенборн, — а в нашем эксперименте изучались всего шесть таких частиц из двух разных мест».
Относительно небольшая выборка означает, что на основании этих результатов пока нельзя установить, как ведут себя радиоактивные частицы на всей загрязнённой территории. Чтобы полнее понять их стабильность, учёным потребуется исследовать множество дополнительных частиц, собранных в гораздо более широком круге мест.
Почему радиоактивное наследие Чорнобиля остаётся непредсказуемым
Даже при значительно большем объёме данных прогнозировать долгосрочную опасность радиоактивных обломков Чорнобиля по-прежнему было бы трудно. Отдельные частицы могут различаться по составу, структуре и устойчивости к воздействию внешней среды, что потенциально влияет на то, когда они высвобождают радиоактивные материалы.
«И даже если когда-нибудь мы получим какие-то средние значения, мы всё равно не сможем делать универсальные заявления о рисках для здоровья в этом регионе, — предостерегает Вайсенборн. — Потому что даже если частицы распадаются в целом по единой схеме, всегда найдутся исключения — более стойкие частицы, которые высвободят радионуклиды позже».
Такие стойкие частицы могут продолжать выделять радиоактивные вещества задолго после того, как другие остатки разрушатся, что осложняет оценку будущего загрязнения и рисков для здоровья.
Поэтому новые результаты не означают, что ограничения в Чорнобыльской зоне отчуждения можно будет снять в обозримом будущем.
Исследования долговременных последствий катастрофы продолжаются. Вайсенборн и Хенниг уже проводят дополнительные эксперименты, посвящённые сильно радиоактивным трансурановым фазам, обнаруженным в оставшихся обломках. Их работа может дать более ясное представление о том, как ядерные материалы Чорнобиля изменяются со временем и как долго может сохраняться их воздействие на окружающую среду.