Quando un'arma nucleare esplode o un reattore fa la sua migliore imitazione di una, un'immensa quantità di energia viene rilasciata in meno di un milionesimo di secondo. Il calore estremo vaporizza istantaneamente l'aria e i materiali circostanti, creando una nube brillante e in espansione di gas e plasma. Mentre questa palla di fuoco nucleare cresce, si mescola con l'atmosfera circostante, si raffredda e infine si condensa in minuscole particelle solide che diventano fallout nucleare - il confetti meno gradito della natura.

Gli scienziati studiano come si forma il fallout perché può fornire preziosi indizi su cosa è successo durante un evento nucleare e aiutare a migliorare i modelli utilizzati per le valutazioni di sicurezza. In un nuovo studio pubblicato su Analytical Chemistry, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno studiato come si comportano uranio, cerio e cesio mentre vaporizzano, reagiscono chimicamente e si condensano in condizioni di temperatura attentamente controllate. I loro risultati suggeriscono che alcuni modelli di fallout ampiamente utilizzati potrebbero trascurare importanti interazioni chimiche che si verificano mentre le particelle si formano - perché mai qualcosa di semplice come una palla di fuoco nucleare dovrebbe essere semplice?

"Modificare il tempo in cui i materiali rimangono ad alta temperatura può alterare le reazioni chimiche e il modo in cui elementi volatili come il cesio vengono incorporati nelle particelle," ha detto la scienziata del LLNL e autrice Rakia Dhaoui. "Queste particelle conservano una registrazione di come si sono formate. Studiando questi processi in un sistema controllato, possiamo sostituire le ipotesi con misurazioni, migliorare i modelli utilizzati per interpretare i detriti nucleari e supportare il processo decisionale quando conta di più."

Per studiare questi processi, il team ha utilizzato un reattore a flusso di plasma progettato per imitare parte dell'ambiente all'interno di una palla di fuoco nucleare. Combinazioni specifiche di materiali sono state introdotte in un plasma ad alta temperatura, dove sono state vaporizzate. Il vapore risultante ha poi viaggiato attraverso un tubo in cui le temperature potevano essere attentamente controllate mentre il materiale si raffreddava. La configurazione ha permesso ai ricercatori di esporre i materiali a due diversi scenari di raffreddamento, noti come storie termiche: in uno, le temperature diminuivano gradualmente; nell'altro, i materiali rimanevano caldi per un periodo più lungo prima di raffreddarsi rapidamente. Poiché il reattore opera in modo continuo, i campioni potevano essere raccolti in più punti, consentendo agli scienziati di osservare come le particelle cambiavano mentre si formavano - come un replay al rallentatore di un evento apocalittico.

"Studi storici sul fallout indicano che il percorso che i materiali seguono mentre si raffreddano è importante," ha detto Dhaoui. "La velocità di raffreddamento e il tempo a temperatura elevata possono alterare la speciazione chimica e la formazione delle particelle."

I ricercatori hanno selezionato uranio, cerio e cesio perché ciascuno si comporta diversamente durante la condensazione. L'uranio è relativamente meno volatile e si condensa all'inizio del processo, rendendolo un utile punto di riferimento. Il cerio, spesso usato come sostituto del plutonio, si condensa in modo simile all'uranio. Tuttavia, entrambi hanno mostrato cambiamenti nella loro chimica a seconda della storia termica subita. Il cesio si è comportato in modo molto diverso: si è condensato molto più tardi degli altri elementi e, quando è rimasto a temperature elevate per periodi più lunghi, si è mescolato molto più estesamente con uranio e cerio.

I risultati indicano che la formazione del fallout dipende non solo da quando i diversi elementi si condensano, ma anche da come interagiscono chimicamente tra loro mentre le temperature scendono. Molti modelli di fallout esistenti trattano principalmente i materiali come se si comportassero indipendentemente, il che significa che alcune di queste reazioni chimiche sono solo parzialmente rappresentate - una svista che potrebbe essere importante se si cerca di prevedere dove cadranno le particelle radioattive.

Isolando gli effetti della storia termica in un sistema sperimentale controllato, i ricercatori hanno generato dati che possono essere utilizzati per valutare e migliorare i modelli di fallout che si sono a lungo basati su ipotesi semplificate. Il team prevede di espandere il lavoro studiando miscele di materiali più realistiche, con l'obiettivo di catturare meglio la complessità.