버섯 구름
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구름에는 네 가지 주요 물질인 무기의 잔해와 핵분열 생성물, 지상에서 얻은 물질(무기 산출량에 따라 달라지는 낙진, 저감 고도 아래의 폭발 고도에서만 중요)이 포함되어 있다. 구름에 포함된 방사선의 대부분은 핵분열 생성물로 구성되어 있으며, 무기 물질에서 나온 중성자 활성화 생성물, 공기 및 지상 잔해는 아주 작은 부분만을 형성한다. 중성자 활성화는 폭발이 일어나는 순간 중성자가 폭발하는 동안 시작되며, 이 중성자 폭발의 범위는 지구 대기를 통과할 때 중성자가 흡수하는 것에 의해 제한된다.
대부분의 방사선은 핵분열 생성물에 의해 생성된다. 열핵무기는 핵융합으로 인해 생성되는 양의 상당 부분을 생성한다. 핵융합 생성물은 일반적으로 비방사성이다. 따라서 방사선 낙진 생성의 정도는 핵분열 킬로톤으로 측정된다. 핵융합으로 생성된 5,000 메가톤의 수율의 97%를 차지하는 차르 봄바는 우라늄-238 대신 납으로 핵융합 변조기를 만들었기 때문에 일반적으로 예상되는 수율의 무기에 비해 매우 깨끗한 무기였다. 만약 그것이 표면 또는 표면 근처에서 폭발한다면, 그것의 낙진은 모든 핵무기 실험에서 발생한 모든 낙진의 4분의 1을 모두 포함할 것이다.
처음에 화구에는 무기의 원자와 핵분열 생성물, 그리고 인접한 공기의 대기 기체로만 구성된 고도로 이온화된 플라즈마가 들어있다. 플라즈마가 식으면서 원자들이 반응하여 미세한 물방울과 고체의 산화물 입자를 형성한다. 입자들은 더 큰 입자들과 합쳐져서 다른 입자들의 표면에 침전된다. 더 큰 입자들은 대개 구름 속으로 가고자 하는 물질에서 비롯된다. 구름이 녹을 만큼 충분히 뜨거운 상태에서 입자들은 부피 전체에 걸쳐 핵분열 생성물과 섞인다. 더 큰 입자들은 녹은 방사성 물질을 표면에 침착시킨다. 나중에 구름 속으로 가고자 하는 입자들은 충분히 온도가 낮으면 크게 오염되지 않는다. 무기 자체만으로 형성된 입자들은 공기 중에 오래 머물 수 있을 정도로 충분히 미세하며, 위험하지 않은 수준까지 광범위하게 분산되어 희석된다. 지상의 잔해를 열망하지 않거나, 충분히 냉각된 후에만 먼지를 열망하며, 따라서 입자의 방사성 분율이 작은 고도의 폭발은 더 큰 방사성 입자가 형성된 저고도의 폭발보다 훨씬 더 작은 정도의 국부적인 낙진을 일으킨다.
응축 생성물의 농도는 작은 입자 및 더 큰 입자의 퇴적된 표면층에 대해 동일하다. 수율 1킬로톤당 약 100 kg의 작은 입자가 형성된다. 작은 입자의 부피와 그에 따른 활성은 더 큰 입자의 퇴적된 표면층의 부피보다 거의 3배 정도 낮다.
고지대 폭발의 경우 일차적인 입자 형성 과정은 응축과 그에 따른 응고이다. 저지대 폭발과 지반 폭발의 경우 토양 입자가 관여하는 외부 입자에 대한 침착이 일차적인 과정이다.
낮은 고도의 폭발은 산출량 1메가톤당 100톤의 먼지를 가진 구름을 만든다. 지상 폭발은 약 3배의 먼지를 가진 구름을 만든다. 지상 폭발의 경우 산출량 1킬로톤당 약 200톤의 흙이 녹아 방사능과 접촉한다
화구의 부피는 지표면이나 대기권 폭발의 경우와 같다. 첫 번째 경우에 화구는 구가 아닌 반구이며 반지름은 더 크다
입자의 크기는 마이크로미터 이하와 마이크로미터 크기, 10-500 마이크로미터에서 밀리미터 이상까지 다양하다. 입자의 크기는 입자가 운반되는 고도와 함께 대기에 머무르는 길이를 결정하는데, 이는 입자가 더 큰 경우 건조한 강수의 영향을 받기 때문이다. 더 작은 입자는 또한 구름 자체에 응축된 수분이나 비구름과 교차하는 구름에서 침전에 의해 제거될 수 있다. 비에 의해 수행된 낙진은 비구름이 형성되는 동안 제거되고, 이미 형성된 빗방울에 흡수되면 씻어낸다
공기 폭발로 인한 입자는 보통 마이크로미터 이하의 범위에서 10-25 마이크로미터보다 작다. 그들은 대부분 산화알루미늄, 우라늄과 플루토늄 산화물로 구성되어 있다. 1-2 마이크로미터보다 큰 입자는 매우 구형이며, 기화된 물질이 물방울로 응축되었다가 응고되는 것에 해당한다. 방사능은 입자 부피 전체에 고르게 분포되어 입자의 전체 활동을 입자 부피에 선형적으로 따른다. 활성의 약 80%는 더 많은 휘발성 원소에 존재하며, 이들은 불덩이가 상당한 정도로 냉각된 후에만 응축된다. 예를 들어 스트론튬-90은 응축하는 시간이 줄어들고 더 큰 입자로 합쳐져 공기의 부피와 더 작은 입자의 혼합 정도가 더 커진다. 폭발 직후 생성된 입자는 작으며, 방사능의 90%는 300 나노미터보다 작은 입자에 존재한다. 이들은 성층권 에어로졸과 응고한다. 응고는 대류권에서 더 광범위하고, 지면에서 대부분의 활동은 300 nm에서 1 µm 사이의 입자에 존재한다. 응고는 입자 형성, 저녁에 동위원소 분포에서 분획 과정을 상쇄한다.
지상 및 저고도 폭발의 경우 구름 속에는 기화되고 용융되어 융합된 토양 입자도 포함되어 있다. 입자를 통한 활동 분포는 형성에 따라 다르다. 기화 응축에 의해 형성된 입자는 공기 폭발 입자와 마찬가지로 부피를 통해 고르게 분포된 활동을 갖는다. 용융된 입자가 더 큰 경우 핵분열 생성물이 외층을 통해 확산되고, 충분히 가열되지 않았지만 기화된 물질과 접촉하거나 응고되기 전에 융합되고 용융되지 않은 입자는 표면에 상대적으로 얇은 고활성 물질 층이 침착된다. 이러한 입자의 구성은 일반적으로 규산염 광물로 형성된 유리와 같은 물질인 토양의 특성에 따라 달라진다. 입자 크기는 토양의 개별 입자 또는 그 군집을 기반으로 하기 때문에 수율에 의존하지 않고 대신 토양 특성에 의존한다. 두 가지 유형의 입자가 존재하는데, 활성이 완전한 기화 응축 또는 적어도 토양의 용융에 의해 형성된 구형이며, 활성이 부피(또는 0.5-2 mm 사이의 더 큰 입자의 경우 비활성 코어의 10-30% 부피)를 통해 고르게 분포되고, 활성이 얇은 표면층에 침착된 불규칙한 모양의 입자가 토양 입자의 융합에 의해 불덩이 가장자리에 형성된다. 큰 불규칙한 입자의 양은 미미하다. 위 또는 바다에서의 폭발로 형성된 입자는 수명이 짧은 방사성 나트륨 동위원소 및 해수의 소금을 포함할 것이다. 용융된 실리카는 금속 산화물에 매우 좋은 용매이며 작은 입자를 쉽게 제거한다; 실리카 함유 토양 위에서 폭발하면 부피를 통해 혼합된 동위원소를 갖는 입자가 생성된다. 대조적으로, 탄산칼슘을 기반으로 하는 산호 잔해는 표면에 방사성 입자를 흡착하는 경향이 있다
원소들은 서로 다른 휘발성 때문에 입자 형성 중에 분별을 겪는다. 내화물 원소(Sr, Y, Zr, Nb, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm)는 끓는점이 높은 산화물을 형성하는데, 이들 침전물은 1400℃의 온도에서 입자 응고 시에 완전히 응축된 것으로 간주된다. 휘발성 원소(Kr, Xe, I, Br)는 그 온도에서 응축되지 않는다. 중간 원소들은 입자의 응고 온도에 가까운 끓는점(또는 그들의 산화물)을 가지고 있다. 온도가 주어진 산화물의 분해 온도 이상이 아니면 불덩이의 원소들은 산화물로 존재한다. 응고된 입자의 표면에는 내화물이 덜 응축된다. 기체 전구체를 갖는 동위원소는 붕괴에 의해 생성될 때 입자의 표면에서 응고된다.
가장 크고, 따라서 가장 큰 방사성 입자는 폭발 후 처음 몇 시간 동안 낙진에 의해 퇴적된다. 더 작은 입자들은 더 높은 고도로 운반되고 더 천천히 내려오며 반감기가 가장 짧은 동위원소들이 가장 빨리 붕괴하면서 덜 방사능 상태로 지상에 도달한다. 가장 작은 입자들은 성층권에 도달하여 몇 주, 몇 달, 심지어 몇 년 동안 그곳에 머물 수 있으며 대기류를 통해 행성의 반구 전체를 덮을 수 있다. 더 높은 위험, 단기적이고 국지적인 낙진은 일정한 강도와 방향의 바람을 가정할 때 폭발 지점에서 주로 시가 모양의 지역에 바람을 타고 아래로 퇴적된다. 낙진 패턴을 크게 바꿀 수 있는 요인은 교차풍, 풍향의 변화, 강수량이다