Ob jemand auf den berüchtigten Knopf drückt oder ein Atomkraftwerk versagt: Ein nuklearer Fallout würde die Welt innerhalb kürzester Zeit verändern. Um die Folgen eines solchen Ereignisses besser zu verstehen und zu minimieren, ist es entscheidend, die Prozesse in den ersten Sekunden nach einer außer Kontrolle geratenen Kernspaltung zu untersuchen. Forschende haben dafür extreme Bedingungen im Labor nachgestellt und analysiert, wie sich radioaktive Teilchen bei unterschiedlichen Abkühlungsverläufen verhalten.

In einer etwa ein Meter langen Plasmaröhre erhitzte das Forschungsteam des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) verschiedene Stoffe auf über 4700 Grad Celsius – Bedingungen, wie sie im Feuerball einer Atombombe auftreten. Die untersuchten Startelemente waren Uran, ein Brennstoff einiger Reaktoren und Atomwaffen, Cäsium, ein Nebenprodukt der Kernspaltung, und das Element Cer als Plutonium-Ersatz, das viele wichtige Eigenschaften mit dem waffenrelevanten Element teilt.

Das Team untersuchte im Folgenden zwei verschiedene Szenarien: Einmal kühlte das Plasma kontinuierlich und gleichmäßig ab, während im zweiten Fall ein Ofen die Temperatur zunächst bei etwa 1150 Grad Celsius hielt und das System erst anschließend rasch abkühlte. Die Gruppe wollte damit klären, ob und wie stark die »Hitze-Historie« beeinflusst, wie die Elemente aus dem Plasma kondensieren und sich zu Partikeln verdichten. Gerade bei nuklearen Unfällen kann dieses Wissen helfen, besser einzuschätzen, welche Partikel eine besondere Gefahr für Mensch und Umwelt darstellen.

Abkühlungsunterschiede

Bei Uran und Cer konnte das Forschungsteam nur geringe Unterschiede feststellen. Beide Elemente bildeten überwiegend stabile Bindungen mit Sauerstoff, weitgehend unabhängig vom Temperaturverlauf. Nur in Details zeigte sich, dass längeres Abkühlen bei Uran zu etwas stärkerer Oxidation führte, während Cer mit dem Ofen einen Teil Sauerstoff abgibt.

Cäsium überraschte die Forschenden hingegen: Es kondensierte nicht nur deutlich später als die beiden anderen Elemente, sondern vermischte sich bei länger anhaltend hohen Temperaturen stärker mit ihnen und bildete dabei komplexe Verbindungen. 

Auch wenn das Experiment keine echte Kernspaltung umfasst und ein solches Drei-Elemente-Modell die Komplexität einer realen Kernschmelze nicht vollständig abbildet, lassen sich wichtige Schlussfolgerungen ziehen: Die Temperatur-Historie ist eine kritische Größe, die im Ernstfall eine wesentliche Rolle für Sicherheitsplanung und Katastrophenmanagement spielen kann.