Hvordan geologer bruger historiens værste atomkatastrofe til at åbne jordens historie

For 37 år siden, den 26. april 1986, blev reaktoren af Tjernobyl atomkraftværket led en katastrofal nedsmeltning. I ugerne efter fik den dødelige begivenhed hundredtusindvis af mennesker til at flytte fra det omkringliggende område, som stadig er en øde “udelukkelseszone” i dag.

Atomulykken i Tjernobyl var forårsaget af en uheldig cocktail af menneskelige fejl og mangelfuldt reaktordesign. Det var den værste atomkatastrofe i historien, der frigav mere end 400 gange så meget radioaktivt materiale som Hiroshima-atombomben.

En ukontrollerbar kædereaktion inde i reaktoren forårsagede en kraftig temperaturstigning, der i sidste ende resulterede i sammensmeltning af brændselsstavene, en dampeksplosion og en brand. De smeltede brændselsstave samlede sig midlertidigt i bunden af ​​reaktorkammeret, før de kom ind i kraftværkets dybere niveauer.

Denne helvedes smeltede suppe har vist sig at være en uventet kilde til indsigt for geologer som mig. I ny forskning udgivet i American Mineralogist, viser mine kolleger og jeg små zirkoner dannet i Tjernobyl, der ændrer vores forståelse af, hvordan disse krystaller opfører sig – og hvad de fortæller os om Jordens fortid.

Corium og elefantens fod

Smeltet reaktormateriale kaldes corium, og det er en seriøs udfordrer til det farligste stof på Jorden.

Bestråling i nærheden af ​​corium kan dræbe inden for få minutter, men det er ikke alt. Corium er ekstremt varmt og genererer sin egen varme fra radioaktivitet. Det er meget svært at køle det ned.

Corium kl Tjernobyl nåede 2.600 ℃næsten dobbelt så varm som rumfærgens overfladetemperatur under atmosfærens genindtræden eller halvdelen af ​​temperaturen ved Solens overflade. Til sammenligning varierer temperaturen på naturlig lava fra vulkaner fra 500 til 1.000 ℃.

Corium er så varmt, det spiser alt på sin måde. Det kan opløse stål, sand og beton, og det omdanner vand til radioaktiv damp næsten øjeblikkeligt.

I Tjernobyl var det anslået Der blev genereret 1.500 tons corium, der flød som lava og ædde sig igennem metervis af beton i kraftværkets kælder.

En anden, endnu mere ødelæggende eksplosion blev kun lige undgået ved at pumpe vandet, der blev brugt til at slukke ilden fra kælderniveauerne. I sidste ende inkorporerede corium nok fremmede byggematerialer til, at det ikke kunne generere nok varme til at holde sin flydende tilstand, og størknede til en klump, der ligner foden af ​​en elefant.

Uranbrændselsstave er lavet af beriget uranoxid, beklædt med zirconiumlegering. Corium opløst sand og beton, som har en høj siliciumsammensætning.

Zirconium, silicium og oxygen: alle ingredienserne var til stede i Tjernobyl-smelten for at krystallisere zirkoner (ZrSiO₄) omkring bredden af ​​et menneskehår.

Se | Livet for Homi J. Bhabha, faderen til Indiens atomprogram

Geologer og jordforskere elsker zirkon, fordi at studere det kan afsløre alderen, hvor klipper blev dannet, og hvilken geologisk proces, der dannede dem. Den er også meget modstandsdygtig over for barske geologiske forhold og er stabil i milliarder af år.

Zirkoner udtaget fra det størknede corium i Tjernobyl er specielle, fordi vi ved meget om de forhold, hvorunder de er dannet, og deres historie.

På mange måder kan de betragtes som analoge med kontrollerede eksperimenter, men fra ekstremt farlige omgivelser, der ikke kan reproduceres sikkert i et laboratoriemiljø. Tværtimod har zirkoner fra naturlige klipper lange, indviklede historier, som er svære at udrede.

Overraskende nok udviste zirkonerne fra Tjernobyl funktioner kaldet “re-equilibration textures”, som også findes i mange naturlige zirkoner. Indtil nu blev disse funktioner tilskrevet virkningen af ​​vand, der opløser mineralet.

Tjernobyl-smeltningen indeholdt dog lidt eller intet vand. Dette fortæller os, at funktionerne blev skabt af smelten direkte uden påvirkning af vand.

Zirkonerne fra Tjernobyl lærte geologer, at zirkoner ikke er så modstandsdygtige, som de troede, og dette bør overvejes, når man studerer komplekse bjergarter.

Læs også | Tiltrækningen af ​​rum- og nukleare teknologier

Nuklear forensics: CSI for nuklear sikkerhed

At studere eftervirkningerne af nukleare hændelser er en slags detektivarbejde kaldet nuklear efterforskning. Det er ikke kun nyttigt for geologer.

Nedsmeltninger af atomkraftværksreaktorer er kun sket tre gange i historien: i Tjernobyl, på Three Mile Island i USA i 1979 og ved Japans Fukushima Daiichi i 2011.

Moderne atomkraftreaktorer har indbygget flere sikkerhedsfunktioner for at undgå endnu en Tjernobyl-katastrofe.

Ved hjælp af ekstremt kompleks instrumentering er det muligt at måle den nøjagtige sammensætning af uran og andre radioaktive grundstoffer fundet på stedet for en hændelse.

Ved at måle andelen af ​​isotoperne af uran og plutonium kan oplysninger om typen af ​​brændsel, der anvendes i reaktoren, bestemmes.

Dette er ikke kun nyttigt for at forstå ulykker og forbedre sikkerheden. At besvare spørgsmål om den slags brændstof, der bruges, kan hjælpe os med at drage mange andre konklusioner, herunder årsagerne til ulykken, og hvordan man kan afbøde dem.

Nuklear efterforskning er også nyttig til at kontrollere nukleare faciliteter, der overvåges af Det Internationale Atomenergiagentur (IAEA), og fremmer sikker, sikker og fredelig brug af nukleare teknologier.