1986年4月26日，切爾諾貝利核電站的反應(yīng)堆發(fā)生了災(zāi)難性的熔毀。在隨后的幾周里，這一致命事件迫使數(shù)十萬(wàn)人從周邊地區(qū)搬離，該地區(qū)今天仍然是一個(gè)荒蕪的“禁區(qū)”。

切爾諾貝利核事故是由人類錯(cuò)誤和有缺陷的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)造成的。它是歷史上最嚴(yán)重的核災(zāi)難，釋放出的放射性物質(zhì)是廣島原子彈的400多倍。

反應(yīng)堆內(nèi)無(wú)法控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)導(dǎo)致溫度急劇上升，最終導(dǎo)致了燃料棒的融合、蒸汽爆炸和火災(zāi)。熔化的燃料棒在進(jìn)入電廠的更深層之前，暫時(shí)聚集在反應(yīng)堆室的底部。

這個(gè)地獄般的熔湯為地質(zhì)學(xué)家提供了靈感。在發(fā)表于《美國(guó)礦物學(xué)家》上的新研究中，學(xué)者們展示了在切爾諾貝利形成的微小鋯石，改變了我們對(duì)這些晶體的理解，向我們揭示了地球的過(guò)去。

熔融堆芯和大象的腳

熔化的反應(yīng)堆材料被稱為熔融堆芯，它是地球上最危險(xiǎn)的物質(zhì)之一。暴露在附近的輻射中，幾分鐘內(nèi)就會(huì)死亡，但這還不是全部。熔融堆芯非常熱，并從放射性中產(chǎn)生自己的熱量。要把它冷卻下來(lái)是非常困難的。

切爾諾貝利的堆芯溫度達(dá)到2600℃，幾乎是航天飛機(jī)重返大氣層時(shí)的表面溫度的兩倍，或太陽(yáng)表面溫度的一半。作為比較，火山的天然熔巖的溫度在500至1000℃之間。熔融堆芯可以溶解鋼鐵、沙子和混凝土，并且?guī)缀踉谒查g將水轉(zhuǎn)化為放射性蒸汽。

在切爾諾貝利，據(jù)估計(jì)產(chǎn)生了1500噸的腐蝕性物質(zhì)，像熔巖一樣流淌，吞噬了發(fā)電廠地下室數(shù)米的混凝土。

通過(guò)將用于滅火的水從地下室抽出，才勉強(qiáng)避免了第二次更具破壞性的爆炸。最終，熔融堆芯融入了足夠多的外來(lái)建筑材料，被冷卻并凝固成一個(gè)看起來(lái)像大象腳的塊狀物。

鋯石和地質(zhì)學(xué)家：一個(gè)愛(ài)情故事

鈾燃料棒由濃縮的氧化鈾制成，包在鋯合金中。熔融堆芯融化了沙子和混凝土，它們的硅成分很高。

鋯、硅和氧：所有的成分都存在于切爾諾貝利熔體中，使鋯石(ZrSiO?)結(jié)晶成大約有人類頭發(fā)的寬度。地質(zhì)學(xué)家和地球科學(xué)家喜歡鋯石，因?yàn)檠芯克梢越沂編r石形成的年代和形成這些巖石的地質(zhì)過(guò)程。它對(duì)惡劣的地質(zhì)條件也有很強(qiáng)的適應(yīng)性，并能穩(wěn)定數(shù)十億年。

從切爾諾貝利的凝固冠層中取樣的鋯石很特別，因?yàn)槲覀儗?duì)它們的形成條件和歷史有很多了解。在許多方面，它們可以被認(rèn)為類似于受控實(shí)驗(yàn)，但來(lái)自于一個(gè)極其危險(xiǎn)的環(huán)境，無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中安全地再現(xiàn)。相反，來(lái)自天然巖石的鋯石有很長(zhǎng)、很復(fù)雜的歷史，很難解開(kāi)。

令人驚訝的是，來(lái)自切爾諾貝利的鋯石顯示出被稱為“再平衡紋理”的特征，這在許多天然鋯石中也有發(fā)現(xiàn)。直到現(xiàn)在，這些特征被歸結(jié)為水溶解礦物的作用。

切爾諾貝利熔體中的鋯石晶體顯示出令人驚訝的“再平衡紋理”，地質(zhì)學(xué)家之前認(rèn)為這些紋理是由與水接觸產(chǎn)生的。

然而，切爾諾貝利熔體幾乎不含水，甚至是完全干燥的。這些特征說(shuō)明鋯石晶體是由熔體直接產(chǎn)生的，沒(méi)有水的影響。

切爾諾貝利的鋯石告訴地質(zhì)學(xué)家，鋯石并不像他們想象的那樣有彈性，在研究復(fù)雜的巖石時(shí)應(yīng)該考慮到這一點(diǎn)。

核鑒證學(xué)：用于核安全的CSI

研究核事故的后果是被稱為核鑒證學(xué)，類似于偵探工作。核電站反應(yīng)堆熔毀在歷史上只發(fā)生過(guò)三次：切爾諾貝利、1979年美國(guó)的三里島和2011年日本的福島第一核電站?，F(xiàn)代核電反應(yīng)堆已經(jīng)納入了更多的安全功能，以避免再次發(fā)生切爾諾貝利災(zāi)難。使用極其復(fù)雜的儀器，有可能測(cè)量在事故現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的鈾和其他放射性元素的確切成分。通過(guò)測(cè)量鈾和钚的同位素比例，可以確定反應(yīng)堆中使用的燃料類型的信息。

這不僅對(duì)了解事故和改善安全有幫助?；卮鹩嘘P(guān)使用中的燃料種類的問(wèn)題，也可以幫助我們得出許多其他的結(jié)論，包括事故的原因和如何減輕這些原因。核取證也有助于控制由國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)監(jiān)督的核設(shè)施，促進(jìn)核技術(shù)的安全、可靠與和平利用。