(National Archives of Australia) Næsten 60 år efter, at britiske atomprøvesprængninger sluttede, forurener radioaktive partikler, der indeholder plutonium og uran, stadig landskabet omkring Maralinga i det sydlige Australien.
Disse 'varme partikler' er ikke så stabile, som vi engang antog. Vores forskning viser, at de sandsynligvis frigiver små bidder af plutonium og uran, som let kan transporteres i støv og vand, inhaleres af mennesker og dyreliv og optages af planter.
Britiske atomprøvesprængninger efterlod en radioaktiv arv. (National Archives of Australia)
En britisk atomlegeplads
Efter de amerikanske atombomber af Hiroshima og Nagasaki i 1945, løb andre nationer for at bygge deres egne atomvåben. Storbritannien ledte efter steder at udføre sine tests. Da den henvendte sig til den australske regering i begyndelsen af 1950'erne, var Australien kun alt for ivrig efter at gå med.
Mellem 1952 og 1963 detonerede Storbritannien 12 atombomber i Australien. Der var tre på Montebello-øerne ud for det vestlige Australien, men de fleste var i outback South Australia: to på Emu Field og syv ved Maralinga.
Udover atomdetonationerne i fuld skala var der hundredvis af 'subkritiske' forsøg designet til at teste ydeevnen og sikkerheden af atomvåben og deres komponenter. Disse forsøg involverede normalt sprængning af nukleare anordninger med konventionelle sprængstoffer eller antændelse af dem.
De subkritiske tests frigav radioaktive materialer. Alene Vixen B-forsøgene (på Taranaki-teststedet ved Maralinga) spredte 22,2 kilogram plutonium og mere end 40 kilogram uran over det tørre landskab. Til sammenligning indeholdt den atombombe, der blev kastet over Nagasaki, 6,4 kg plutonium, mens den, der blev kastet over Hiroshima, indeholdt 64 kg uran.
Disse tests resulterede i langvarig radioaktiv forurening af miljøet. Det fulde omfang af forureningen blev først realiseret i 1984, før jorden blev returneret til sine traditionelle ejere, Maralinga Tjarutja-folket.
Varme kartofler
På trods af talrige oprydningsbestræbelser er der rester af plutonium og uran tilbage i Maralinga. Det meste er til stede i form af 'varme partikler'. Disse er små radioaktive korn (meget mindre end en millimeter) spredt i jorden.
Plutonium er et radioaktivt grundstof, for det meste fremstillet af mennesker, og plutonium af våbenkvalitet, der blev brugt i de britiske atomprøvesprængninger, har en halveringstid på 24.100 år. Det betyder, at selv 24.100 år efter Vixen B-forsøgene, der sluttede i 1963, vil der stadig være næsten to Nagasaki-bombers værdi af plutonium spredt rundt om Taranaki-teststedet.
Plutonium udsender alfastråling, der kan beskadige DNA, hvis det kommer ind i en krop gennem at spise, drikke eller trække vejret.
I deres oprindelige tilstand er plutonium- og uran-partiklerne ret inaktive. Men over tid, når de udsættes for atmosfære, vand eller mikrober, kan de forvitre og frigive plutonium og uran i støv- eller regnbyger.
Indtil for nylig vidste vi lidt om den indre sammensætning af disse varme partikler. Dette gør det meget svært at præcist vurdere de miljø- og sundhedsrisici, de udgør.
Monash PhD-studerende Megan Cook (hovedforfatteren på vores nye papir) tog denne udfordring op. Hendes forskning havde til formål at identificere, hvordan plutonium blev aflejret, da det blev båret af atmosfæriske strømme efter de nukleare forsøg (noget af det rejste så langt som til Queensland !), egenskaberne for de varme plutoniumpartikler, da de landede, og potentielle bevægelser i jorden.
(Cook et al., Scientific Reports, 2021)
Over: Plutonium og uran viser sig som lyse klumper indlejret i mørkere jern-aluminiumlegering i dette elektronmikroskopbillede.
Nanoteknologi til undsætning
Tidligere undersøgelser brugte de superintense røntgenstråler genereret af synkrotronlyskilder til at kortlægge fordelingen og oxidationstilstanden af plutonium inde i de varme partikler på mikrometerskalaen.
For at få flere detaljer brugte vi røntgenstråler fra Diamond-synkrotronen nær Oxford i Storbritannien, en kæmpe maskine mere end en halv kilometer i omkreds, der producerer lys ti milliarder gange stærkere end Solen i en partikelaccelerator.
Ved at studere, hvordan partiklerne absorberede røntgenstråler, afslørede de, at de indeholdt plutonium og uran i flere forskellige oxidationstilstande - hvilket påvirker, hvor reaktive og giftige de er. Men da vi så på de skygger, partiklerne kaster i røntgenlys (eller 'røntgendiffraktion'), kunne vi ikke fortolke resultaterne uden at vide mere om de forskellige kemikalier inde i partiklerne.
For at finde ud af mere brugte vi en maskine på Monash University, der kan skære åbne små prøver med en nanometer bred stråle af højenergi-ioner, derefter analysere elementerne indeni og lave billeder af interiøret. Det er lidt ligesom at bruge en lyssværd at skære en sten, kun på den mindste skala. Dette afslørede i udsøgte detaljer den komplekse række af materialer og teksturer inde i partiklerne.
Meget af plutonium og uran er fordelt i bittesmå partikler på størrelse mellem et par mikrometer og et par nanometer eller opløst i jern-aluminium-legeringer. Vi opdagede også en plutonium-uran-carbon-forbindelse, som hurtigt ville blive ødelagt i nærvær af luft, men som blev holdt stabil af den metalliske legering.
Denne komplekse fysiske og kemiske struktur af partiklerne antyder partiklerne dannet ved afkøling af dråber af smeltet metal fra eksplosionsskyen.
I sidste ende krævede det et tværfagligt team på tværs af tre kontinenter - inklusive jordforskere, mineraloger, fysikere, mineralingeniører, synkrotronforskere, mikroskopister og radiokemikere - for at afsløre naturen af de varme Maralinga-partikler.
Fra ild til støv
Vores resultater tyder på, at naturlige kemiske og fysiske processer i outback-miljøet kan forårsage langsom frigivelse af plutonium fra de varme partikler på lang sigt. Denne frigivelse af plutonium vil sandsynligvis bidrage til den løbende optagelse af plutonium af dyrelivet ved Maralinga .
Selv under de semi-tørre forhold i Maralinga nedbrydes de varme partikler langsomt og befrier deres dødbringende last. Lektionerne fra Maralinga-partiklerne er ikke begrænset til outback Australien. De er også nyttige til at forstå partikler genereret fra snavsede bomber eller frigivet under subkritiske nukleare hændelser.
Der har været nogle få dokumenterede tilfælde af sådanne hændelser. Disse omfatter B-52-ulykkerne, der resulterede i den konventionelle detonation af termonukleare våben nær Palomares i Spanien i 1966 og Thule i Grønland i 1968, og eksplosionen af et bevæbnet atommissil og efterfølgende ild på McGuire Air Force Base i USA i 1960.
Tusindvis af aktive atomvåben er stadig i besiddelse af nationer rundt om i verden i dag. Arven fra Maralinga viser, at verden ikke har råd til hændelser, der involverer nukleare partikler. 
Barbara Etschmann , forskningsmedarbejder, Monash Universitet ; Joel Brugger , professor i synkrotrongeovidenskab, Monash Universitet , og Vanessa Wong , lektor, Monash Universitet .
Denne artikel er genudgivet fra Samtalen under en Creative Commons-licens. Læs original artikel .