Quando uma arma nuclear explode ou um reator faz sua melhor imitação de uma, uma imensa explosão de energia é liberada em menos de um milionésimo de segundo. O calor extremo vaporiza instantaneamente o ar e os materiais próximos, criando uma nuvem brilhante e em expansão de gás e plasma. À medida que essa bola de fogo nuclear cresce, ela se mistura com a atmosfera circundante, esfria e eventualmente se condensa em minúsculas partículas sólidas que se tornam precipitação radioativa – o confete menos bem-vindo da natureza.
Os cientistas estudam como a precipitação radioativa se forma porque ela pode fornecer pistas valiosas sobre o que aconteceu durante um evento nuclear e ajudar a melhorar os modelos usados para avaliações de segurança. Em um novo estudo publicado na Analytical Chemistry, pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) investigaram como o urânio, o cério e o césio se comportam ao vaporizar, reagir quimicamente e condensar sob condições de temperatura cuidadosamente controladas. Suas descobertas sugerem que alguns modelos amplamente usados de precipitação radioativa podem ignorar interações químicas importantes que ocorrem à medida que as partículas se formam – porque por que algo tão direto quanto uma bola de fogo nuclear seria simples?
"Mudar quanto tempo os materiais permanecem em alta temperatura pode alterar reações químicas e como elementos voláteis como o césio são incorporados às partículas", disse a cientista do LLNL e autora Rakia Dhaoui. "Essas partículas preservam um registro de como se formaram. Ao estudar esses processos em um sistema controlado, podemos substituir suposições por medições, melhorar os modelos usados para interpretar detritos nucleares e apoiar a tomada de decisões quando mais importa."
Para investigar esses processos, a equipe usou um reator de fluxo de plasma projetado para imitar parte do ambiente dentro de uma bola de fogo nuclear. Combinações específicas de materiais foram introduzidas em um plasma de alta temperatura, onde foram vaporizadas. O vapor resultante então viajou através de um tubo no qual as temperaturas podiam ser cuidadosamente controladas à medida que o material esfriava. A configuração permitiu que os pesquisadores expusessem os materiais a dois cenários diferentes de resfriamento, conhecidos como históricos térmicos: em um, as temperaturas diminuíam gradualmente; no outro, os materiais permaneciam quentes por um período mais longo antes de esfriar rapidamente. Como o reator opera continuamente, amostras podiam ser coletadas em vários locais, permitindo que os cientistas observassem como as partículas mudavam à medida que se formavam – como um replay em câmera lenta de um evento apocalíptico.
"Estudos históricos de precipitação radioativa indicam que o caminho que os materiais percorrem ao esfriar é importante", disse Dhaoui. "A taxa de resfriamento e o tempo em temperatura elevada podem alterar a especiação química e a formação de partículas."
Os pesquisadores selecionaram urânio, cério e césio porque cada um se comporta de maneira diferente durante a condensação. O urânio é relativamente menos volátil e condensou no início do processo, tornando-se um benchmark útil. O cério, frequentemente usado como substituto do plutônio, condensou de forma semelhante ao urânio. No entanto, ambos mostraram mudanças em sua química dependendo do histórico térmico que experimentaram. O césio se comportou de maneira muito diferente: condensou muito mais tarde que os outros elementos e, quando permaneceu em altas temperaturas por períodos mais longos, misturou-se muito mais extensivamente com urânio e cério.
Os resultados indicam que a formação de precipitação radioativa depende não apenas de quando diferentes elementos condensam, mas também de como eles interagem quimicamente entre si à medida que as temperaturas caem. Muitos modelos existentes de precipitação radioativa tratam principalmente os materiais como se eles se comportassem independentemente, o que significa que algumas dessas reações químicas são apenas parcialmente representadas – uma omissão que poderia importar se você estivesse tentando prever onde partículas radioativas vão cair.
Ao isolar os efeitos do histórico térmico em um sistema experimental controlado, os pesquisadores geraram dados que podem ser usados para avaliar e melhorar modelos de precipitação radioativa que há muito dependem de suposições simplificadas. A equipe planeja expandir o trabalho estudando misturas mais realistas de materiais, com o objetivo de capturar melhor a complexidade de eventos nucleares reais.