Cuando un arma nuclear explota o un reactor hace su mejor imitación de una, se libera una inmensa ráfaga de energía en menos de una millonésima de segundo. El calor extremo vaporiza instantáneamente el aire y los materiales cercanos, creando una nube brillante y expansiva de gas y plasma. A medida que esta bola de fuego nuclear crece, se mezcla con la atmósfera circundante, se enfría y finalmente se condensa en pequeñas partículas sólidas que se convierten en precipitación radiactiva: el confeti menos bienvenido de la naturaleza.
Los científicos estudian cómo se forma la precipitación radiactiva porque puede proporcionar pistas valiosas sobre lo que sucedió durante un evento nuclear y ayudar a mejorar los modelos utilizados para las evaluaciones de seguridad. En un nuevo estudio publicado en Analytical Chemistry, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) investigaron cómo se comportan el uranio, el cerio y el cesio al vaporizarse, reaccionar químicamente y condensarse bajo condiciones de temperatura cuidadosamente controladas. Sus hallazgos sugieren que algunos modelos de precipitación radiactiva ampliamente utilizados pueden pasar por alto interacciones químicas importantes que ocurren a medida que se forman las partículas, porque ¿por qué algo tan sencillo como una bola de fuego nuclear sería simple?
"Cambiar cuánto tiempo los materiales permanecen a alta temperatura puede alterar las reacciones químicas y cómo elementos volátiles como el cesio se incorporan a las partículas", dijo la científica del LLNL y autora Rakia Dhaoui. "Estas partículas preservan un registro de cómo se formaron. Al estudiar estos procesos en un sistema controlado, podemos reemplazar suposiciones con mediciones, mejorar los modelos utilizados para interpretar los restos nucleares y apoyar la toma de decisiones cuando más importa".
Para investigar estos procesos, el equipo utilizó un reactor de flujo de plasma diseñado para imitar parte del entorno dentro de una bola de fuego nuclear. Se introdujeron combinaciones específicas de materiales en un plasma de alta temperatura, donde se vaporizaron. El vapor resultante viajó luego a través de un tubo en el que las temperaturas podían controlarse cuidadosamente a medida que el material se enfriaba. La configuración permitió a los investigadores exponer los materiales a dos escenarios de enfriamiento diferentes, conocidos como historias térmicas: en uno, las temperaturas disminuyeron gradualmente; en el otro, los materiales permanecieron calientes durante un período más largo antes de enfriarse rápidamente. Debido a que el reactor funciona de forma continua, se pudieron recolectar muestras en múltiples ubicaciones, lo que permitió a los científicos observar cómo cambiaban las partículas a medida que se formaban, como una repetición en cámara lenta de un evento apocalíptico.
"Los estudios históricos de precipitación radiactiva indican que la ruta que toman los materiales al enfriarse es importante", dijo Dhaoui. "La tasa de enfriamiento y el tiempo a temperatura elevada pueden alterar la especiación química y la formación de partículas".
Los investigadores seleccionaron uranio, cerio y cesio porque cada uno se comporta de manera diferente durante la condensación. El uranio es relativamente menos volátil y se condensó temprano en el proceso, lo que lo convierte en un punto de referencia útil. El cerio, a menudo utilizado como sustituto del plutonio, se condensó de manera similar al uranio. Sin embargo, ambos mostraron cambios en su química dependiendo de la historia térmica que experimentaron. El cesio se comportó de manera muy diferente: se condensó mucho más tarde que los otros elementos, y cuando permaneció a altas temperaturas durante períodos más largos, se mezcló mucho más extensamente con uranio y cerio.
Los resultados indican que la formación de precipitación radiactiva depende no solo de cuándo se condensan los diferentes elementos, sino también de cómo interactúan químicamente entre sí a medida que las temperaturas bajan. Muchos modelos existentes de precipitación radiactiva tratan principalmente los materiales como si se comportaran de forma independiente, lo que significa que algunas de estas reacciones químicas solo están parcialmente representadas, un descuido que podría importar si intentas predecir dónde aterrizarán las partículas radiactivas.
Al aislar los efectos de la historia térmica en un sistema experimental controlado, los investigadores generaron datos que pueden usarse para evaluar y mejorar los modelos de precipitación radiactiva que durante mucho tiempo han dependido de suposiciones simplificadas. El equipo planea expandir el trabajo estudiando mezclas de materiales más realistas, con el objetivo de capturar mejor la complejidad de los eventos nucleares reales.