Quand une arme nucléaire explose ou qu'un réacteur fait sa meilleure imitation de l'une d'elles, une immense bouffée d'énergie est libérée en moins d'un millionième de seconde. La chaleur extrême vaporise instantanément l'air et les matériaux environnants, créant un nuage brillant et en expansion de gaz et de plasma. Alors que cette boule de feu nucléaire grandit, elle se mélange à l'atmosphère environnante, refroidit et finit par se condenser en minuscules particules solides qui deviennent les retombées nucléaires – les confettis les moins bienvenus de la nature.
Les scientifiques étudient comment se forment les retombées car elles peuvent fournir de précieux indices sur ce qui s'est passé lors d'un événement nucléaire et aider à améliorer les modèles utilisés pour les évaluations de sécurité. Dans une nouvelle étude publiée dans Analytical Chemistry, des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont étudié comment l'uranium, le cérium et le césium se comportent lorsqu'ils se vaporisent, réagissent chimiquement et se condensent dans des conditions de température soigneusement contrôlées. Leurs résultats suggèrent que certains modèles de retombées largement utilisés pourraient négliger d'importantes interactions chimiques qui se produisent lors de la formation des particules – car pourquoi quelque chose d'aussi simple qu'une boule de feu nucléaire serait-il simple ?
« Modifier la durée pendant laquelle les matériaux restent à haute température peut altérer les réactions chimiques et la façon dont des éléments volatils comme le césium sont incorporés dans les particules », a déclaré Rakia Dhaoui, scientifique du LLNL et auteur de l'étude. « Ces particules conservent un enregistrement de leur formation. En étudiant ces processus dans un système contrôlé, nous pouvons remplacer les hypothèses par des mesures, améliorer les modèles utilisés pour interpréter les débris nucléaires et soutenir la prise de décision quand cela compte le plus. »
Pour étudier ces processus, l'équipe a utilisé un réacteur à plasma conçu pour imiter une partie de l'environnement à l'intérieur d'une boule de feu nucléaire. Des combinaisons spécifiques de matériaux ont été introduites dans un plasma à haute température, où elles ont été vaporisées. La vapeur résultante a ensuite traversé un tube dans lequel les températures pouvaient être soigneusement contrôlées à mesure que le matériau refroidissait. Le dispositif a permis aux chercheurs d'exposer les matériaux à deux scénarios de refroidissement différents, appelés histoires thermiques : dans l'un, les températures diminuaient progressivement ; dans l'autre, les matériaux restaient chauds plus longtemps avant de refroidir rapidement. Comme le réacteur fonctionne en continu, des échantillons ont pu être prélevés à plusieurs endroits, permettant aux scientifiques d'observer comment les particules changeaient en se formant – comme un ralenti d'un événement apocalyptique.
« Les études historiques sur les retombées indiquent que le chemin que les matériaux empruntent en refroidissant est important », a déclaré Dhaoui. « La vitesse de refroidissement et le temps passé à température élevée peuvent modifier la spéciation chimique et la formation des particules. »
Les chercheurs ont sélectionné l'uranium, le cérium et le césium car chacun se comporte différemment lors de la condensation. L'uranium est relativement moins volatil et se condense tôt dans le processus, ce qui en fait un point de référence utile. Le cérium, souvent utilisé comme substitut du plutonium, se condense de manière similaire à l'uranium. Cependant, tous deux ont montré des changements dans leur chimie en fonction de l'histoire thermique qu'ils ont subie. Le césium s'est comporté très différemment : il s'est condensé bien plus tard que les autres éléments, et lorsqu'il est resté à haute température plus longtemps, il s'est mélangé beaucoup plus abondamment avec l'uranium et le cérium.
Les résultats indiquent que la formation des retombées dépend non seulement du moment où différents éléments se condensent, mais aussi de la façon dont ils interagissent chimiquement entre eux à mesure que les températures baissent. De nombreux modèles de retombées existants traitent principalement les matériaux comme s'ils se comportaient indépendamment, ce qui signifie que certaines de ces réactions chimiques ne sont que partiellement représentées – un oubli qui pourrait avoir de l'importance si vous essayez de prédire où les particules radioactives vont atterrir.
En isolant les effets de l'histoire thermique dans un système expérimental contrôlé, les chercheurs ont généré des données qui peuvent être utilisées pour évaluer et améliorer les modèles de retombées qui reposent depuis longtemps sur des hypothèses simplifiées. L'équipe prévoit d'étendre les travaux en étudiant des mélanges de matériaux plus réalistes, dans le but de mieux capturer la complexité des retombées nucléaires.