Zachowanie plutonu zawsze dziwiło naukowców. W końcu jest wytłumaczenie

Przełom w zrozumieniu tej anomalii przyniosły dopiero najnowsze badania przeprowadzone w Lawrence Livermore National Laboratory w Kalifornii. Naukowcy nie tylko rozwiązali naukową łamigłówkę, ale wyniki ich badań mogą mieć praktyczne konsekwencje w obszarze bezpieczeństwa jądrowego. Jak to często bywa w nauce, klucz okazał się leżeć w szczegółach, które wcześniej umykały uwadze specjalistów.

Nietypowe właściwości plutonu wreszcie wyjaśnione

Zespół z LLNL opracował pierwszy teoretyczny model, który precyzyjnie opisuje kurczenie się delta-plutonu w podwyższonych temperaturach. Ta konkretna faza materiału zmniejsza swoją objętość powyżej temperatury pokojowej, co stanowiło wyraźną sprzeczność z powszechnie obserwowanym zjawiskiem rozszerzalności termicznej. Sekret tkwił w energii swobodnej, czyli ilości energii dostępnej w układzie, oraz w dotąd pomijanych fluktuacjach magnetycznych.

Czytaj także: Chińczycy odkryli nowy izotop plutonu. To pierwszy taki sukces w historii kraju

Magnetyzm jako brakujący element układanki

Pluton wyróżnia się wśród metali niezwykle skomplikowaną strukturą elektronową. Jego zachowanie wynika ze złożonej interakcji efektów relatywistycznych, właściwości magnetycznych i struktury krystalicznej. Nowy model jest przełomowy właśnie dlatego, że po raz pierwszy uwzględnia zmienne stany magnetyczne zależne od temperatury. To uwzględnienie fluktuacji magnetycznych pozwoliło dopasować obliczenia do wyników laboratoryjnych pomiarów.

Praktyczne implikacje odkrycia

Lawrence Livermore National Laboratory od ponad 70 lat prowadzi badania nad plutonem w kontekście bezpieczeństwa jądrowego. Dokładne modelowanie zachowania tego pierwiastka we wszystkich fazach ma fundamentalne znaczenie dla programów związanych z materiałami nuklearnymi. Laboratorium wykorzystuje do tego potężne superkomputery, w tym system El Capitan o eksaskalowej mocy obliczeniowej, zdolny prowadzić zaawansowane symulacje.

Potencjał dla innych materiałów

Opracowana metodologia może znaleźć zastosowanie w badaniach innych substancji, w których dynamiczny magnetyzm odgrywa kluczową rolę. Szczególnie obiecujące są perspektywy badania żelaza i jego stopów, mających fundamentalne znaczenie w geofizyce przy analizie procesów zachodzących we wnętrzu Ziemi. Naukowcy już planują rozszerzenie modelu o wpływ mikrostruktur i defektów występujących w rzeczywistych materiałach.

Czytaj także: Na rozwiązanie tej zagadki czekano ponad 70 lat. Pluton jednak magnetyczny!

Warto jednak pamiętać, że przeniesienie wyników laboratoryjnych do praktycznych zastosowań zwykle wymaga lat dodatkowych badań. Niemniej rozwiązanie zagadki sprzed dziesięcioleci pokazuje, jak zaawansowane modelowanie komputerowe pozwala rozwiązywać problemy oporne na tradycyjne metody. Jak by nie patrzeć jest to krok w kierunku lepszego zarządzania materiałami radioaktywnymi.