超强X射线帮助物理学家了解切尔诺贝利

切尔诺贝利 4 号反应堆发生灾难性故障并向欧洲各地喷出放射性尘埃，距今已有 35 年。尽管当局已尽最大努力控制反应堆，但反应堆仍然被一层硬化放射性熔岩覆盖。

这种玻璃状的硬化物质不仅无法进行任何清理工作，而且也使得研究变得十分困难。不过，研究人员现在已经成功测试了一种技术，可能有助于从这种几乎无法穿透的外壳中获取更多细节。

首先，科学家必须制造自己的材料来模拟切尔诺贝利核电站的物质。现在，通过将这种物质的微小样本置于世界上最强大的 X 射线下，研究人员找到了一种重建这种物质历史的方法。

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他们的研究成果发表在《材料化学 A 杂志》上，表明该技术可用于解开现实世界核灾难废料的奥秘。

上述科学家之一、英国谢菲尔德大学核研究员克莱尔·科克希尔在一份声明中表示，这“就像对犯罪现场进行法医分析一样”。“对我们的模拟材料进行的化学分析使我们能够拼凑出切尔诺贝利核燃料的最后时刻。”

切尔诺贝利核电站位于乌克兰首都基辅以北约 60 英里处，事故发生时，该核电站共有四座反应堆在运行。其中三座反应堆现已安全退役，但四号反应堆仍处于安全退役状态，它被埋在机库般的外壳中，就像瘟疫受害者的致病尸体。

1986 年，4 号反应堆的铀燃料熔化，并与其结构和周围环境中的成分（包括锆、石墨、钢铁和混凝土等材料）发生化学反应，并一起熔化成一种熔岩状的物质，科学家称之为“熔岩层”。这种危险的淤泥从反应堆堆芯流出，最终冷却并硬化成一种高放射性的玻璃状陶瓷，包括“象脚”等结构。

为了最终找出清除堆芯的最佳方法，彻底清除切尔诺贝利核电站的核污染，科学家首先需要了解堆芯、堆芯混合物在反应堆内部的变化情况以及堆芯的形成过程。但堆芯放射性太强，无法接近。再加上其硬度，这意味着切尔诺贝利堆芯的样本非常稀少。事实上，据报道，俄罗斯科学家不得不使用真正的枪来清除任何松动的物质。

在欧洲另一端的谢菲尔德大学，科克希尔等研究人员正在制造科学家称之为“模拟物”的东西。他们将许多与核电站相同的构件熔化，制成模拟核废料。但两者有一个关键区别：谢菲尔德的模拟物的放射性远低于真实核废料，而且更容易处理。

为了进行这项研究，谢菲尔德的研究人员将他们的模拟物带到了同步加速器，极其明亮的X射线源——特别是瑞士北部的保罗谢尔研究所和纽约长岛的布鲁克海文国家实验室。

研究人员将模拟物切成薄片并打磨成薄片——非常薄，只有人的头发那么宽——然后用 X 射线照射它们。通过观察 X 射线在模拟物上的吸收情况，研究人员能够找出精细的细节。例如，他们可以识别比雾滴还小的含铀化合物的晶体结构。

这让研究人员更加确信，他们的模拟物确实与真品十分相似。“我们的分析结果与真实样本的有限数据相符，这非常令人兴奋，”科克希尔说。

此外，X射线数据使研究人员能够重建样品成分在极端条件下熔化的顺序。换句话说，他们可以重现熔化后瞬间的情景。

华盛顿州里奇兰太平洋西北国家实验室的核废料研究员里德彼得森说，这是利用新技术研究旧废料的良好方式。

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他还表示，这强调了对高质量模拟物的需要。“我们发现的一件事是，核废料可能具有一些非常有趣的、无法预测的特性，”他说。

研究人员表示，即使样本具有高放射性，使用如此小的样本也能大大降低暴露风险。但彼得森强调，这只是众多技术中的一种，使用非常小的样本可能会产生误导。

他说：“这些复杂的混合物需要多种技术才能全面了解放射性废物的具体阶段。”

尽管如此，研究人员相信他们的技术已经成熟，可以应用于现实世界。科克希尔表示，这项研究“为分析切尔诺贝利和福岛核电站的真实熔化燃料铺平了道路。”

事实上，2011 年日本福岛第一核电站事故现场也覆盖着独特的堆芯混合物。研究人员至今尚未进入反应堆最深处采集样本。