Quando uma arma nuclear explode ou ocorre um acidente grave num reactor, uma enorme quantidade de energia é libertada em menos de um milionésimo de segundo. O calor extremamente alto vaporiza instantaneamente o ar e os materiais próximos, criando uma nuvem brilhante e em expansão de gás e plasma. À medida que a bola de fogo nuclear cresce, mistura-se com a atmosfera circundante, arrefece e eventualmente condensa-se em minúsculas partículas sólidas que se transformam em poeira nuclear.
Os cientistas estudam como a precipitação radioativa se forma porque pode fornecer pistas valiosas sobre o que aconteceu durante um incidente nuclear e ajudar a melhorar os modelos utilizados para avaliações de segurança. Em um novo estudo publicado em química analíticaPesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) estudaram o comportamento do urânio, do cério e do césio à medida que evaporam, reagem quimicamente e se condensam sob condições de temperatura rigorosamente controladas.
Suas descobertas sugerem que alguns modelos de sedimentação amplamente utilizados podem ignorar interações químicas importantes que ocorrem quando as partículas se formam.
Reconstruindo as condições da bola de fogo nuclear
“Alterar o tempo que um material permanece em altas temperaturas pode alterar as reações químicas e como os elementos voláteis como o césio são incorporados às partículas”, disse a cientista e autora do LLNL, Rakia Dhaoui. “Estas partículas preservam um registo de como se formaram. Ao estudar estes processos num sistema controlado, podemos substituir suposições por medições, melhorar os modelos usados para explicar a fragmentação nuclear e apoiar a tomada de decisões quando é mais importante.”
Para estudar esses processos, a equipe utilizou um reator de fluxo de plasma projetado para simular parte do ambiente dentro de uma bola de fogo nuclear. Uma combinação específica de materiais é introduzida em um plasma de alta temperatura onde é vaporizado. O vapor resultante é então passado através de um tubo, permitindo que a temperatura seja cuidadosamente controlada à medida que o material esfria.
A configuração permitiu aos pesquisadores expor o material a dois cenários de resfriamento diferentes, chamados de histórias térmicas. Num caso, a temperatura de todo o tubo caiu gradualmente. Os materiais, por outro lado, permanecem elevados por um longo período de tempo antes de esfriarem rapidamente. Como o reator opera continuamente, as amostras podem ser coletadas em vários locais, permitindo aos cientistas observar como as partículas mudam à medida que se formam.
Por que o histórico de resfriamento é importante
“Estudos de sedimentos históricos mostram que o caminho que o material percorre à medida que esfria é muito importante”, disse Dawe. “A taxa e o tempo de resfriamento em altas temperaturas podem alterar a morfologia química e a formação de partículas.”
Os pesquisadores escolheram urânio, cério e césio porque se comportam de maneira diferente durante o processo de condensação. O urânio é relativamente menos volátil e condensa no início do processo, tornando-o uma referência útil. O cério é frequentemente usado como substituto do plutônio e condensa de maneira semelhante ao urânio. No entanto, as propriedades químicas de ambos os elementos mudam dependendo da história térmica que vivenciaram.
O césio se comporta de maneira muito diferente. Ele condensa muito mais tarde do que outros elementos e, quando é mantido em altas temperaturas por longos períodos de tempo, mistura-se muito mais extensivamente com o urânio e o cério.
Modelo de radiação nuclear aprimorado
Os resultados mostram que a formação de precipitados depende não apenas de quando os diferentes elementos se condensam, mas também de como eles interagem quimicamente entre si à medida que a temperatura cai. Muitos modelos de sedimentação existentes tratam os materiais principalmente como comportamentos independentes, o que significa que algumas das suas reações químicas são apenas parcialmente representadas.
Ao isolar os efeitos da história térmica num sistema experimental controlado, os investigadores geraram dados que podem ser utilizados para avaliar e melhorar modelos de subsidência que há muito dependem de suposições simplificadoras.
A equipe planeja expandir o trabalho estudando misturas de materiais mais realistas, com o objetivo de capturar melhor os processos complexos que controlam a formação de precipitação radioativa durante eventos nucleares do mundo real.
