Când o armă nucleară explodează sau un reactor face cea mai bună impresie a uneia, o imensă explozie de energie este eliberată în mai puțin de o milionime de secundă. Căldura extremă vaporizează instantaneu aerul și materialele din apropiere, creând un nor strălucitor și în expansiune de gaz și plasmă. Pe măsură ce această bilă de foc nucleară crește, se amestecă cu atmosfera înconjurătoare, se răcește și, în cele din urmă, se condensează în particule solide minuscule care devin fallout nuclear - cea mai puțin binevenită confetti a naturii.

Oamenii de știință studiază modul în care se formează falloutul, deoarece poate oferi indicii valoroase despre ce s-a întâmplat în timpul unui eveniment nuclear și poate ajuta la îmbunătățirea modelelor utilizate pentru evaluările de siguranță. Într-un nou studiu publicat în Analytical Chemistry, cercetătorii de la Laboratorul Național Lawrence Livermore (LLNL) au investigat cum se comportă uraniul, ceriul și cesiul pe măsură ce se vaporizează, reacționează chimic și se condensează în condiții de temperatură atent controlate. Descoperirile lor sugerează că unele modele de fallout utilizate pe scară largă ar putea trece cu vederea interacțiuni chimice importante care au loc pe măsură ce particulele se formează - pentru că de ce ar fi ceva la fel de simplu ca o bilă de foc nucleară?

„Modificarea duratei în care materialele rămân la temperatură ridicată poate altera reacțiile chimice și modul în care elemente volatile precum cesiul sunt încorporate în particule”, a declarat omul de știință LLNL și autorul Rakia Dhaoui. „Aceste particule păstrează o înregistrare a modului în care s-au format. Studiind aceste procese într-un sistem controlat, putem înlocui ipotezele cu măsurători, îmbunătăți modelele utilizate pentru interpretarea resturilor nucleare și sprijini luarea deciziilor atunci când contează cel mai mult.”

Pentru a investiga aceste procese, echipa a folosit un reactor cu plasmă cu curgere conceput să imite o parte din mediul din interiorul unei bile de foc nucleare. Combinații specifice de materiale au fost introduse într-o plasmă de temperatură înaltă, unde au fost vaporizate. Vaporul rezultat a călătorit apoi printr-un tub în care temperaturile puteau fi controlate cu atenție pe măsură ce materialul se răcea. Configurația a permis cercetătorilor să expună materialele la două scenarii diferite de răcire, cunoscute ca istorii termice: într-unul, temperaturile au scăzut treptat; în celălalt, materialele au rămas fierbinți pentru o perioadă mai lungă înainte de a se răci rapid. Deoarece reactorul funcționează continuu, probele au putut fi colectate în mai multe locații, permițând oamenilor de știință să observe cum se schimbă particulele pe măsură ce se formează - ca o reluare încetinită a unui eveniment apocaliptic.

„Studiile istorice asupra falloutului indică faptul că calea pe care o urmează materialele pe măsură ce se răcesc este importantă”, a spus Dhaoui. „Rata de răcire și timpul la temperatură ridicată pot altera specierea chimică și formarea particulelor.”

Cercetătorii au selectat uraniul, ceriul și cesiul deoarece fiecare se comportă diferit în timpul condensării. Uraniul este relativ mai puțin volatil și s-a condensat devreme în proces, făcându-l un etalon util. Ceriul, adesea folosit ca înlocuitor pentru plutoniu, s-a condensat similar cu uraniul. Cu toate acestea, ambele au arătat modificări ale chimiei lor în funcție de istoria termică pe care au experimentat-o. Cesiul s-a comportat foarte diferit: s-a condensat mult mai târziu decât celelalte elemente, iar când a rămas la temperaturi ridicate pentru perioade mai lungi, s-a amestecat mult mai extensiv cu uraniul și ceriul.

Rezultatele indică faptul că formarea falloutului depinde nu numai de momentul în care se condensează diferitele elemente, ci și de modul în care interacționează chimic între ele pe măsură ce temperaturile scad. Multe modele existente de fallout tratează în principal materialele ca și cum s-ar comporta independent, ceea ce înseamnă că unele dintre aceste reacții chimice sunt doar parțial reprezentate - o omisiune care ar putea conta dacă încerci să prezici unde vor ateriza particulele radioactive.

Prin izolarea efectelor istoriei termice într-un sistem experimental controlat, cercetătorii au generat date care pot fi utilizate pentru a evalua și îmbunătăți modelele de fallout care s-au bazat mult timp pe ipoteze simplificate. Echipa intenționează să extindă lucrarea prin studierea unor amestecuri mai realiste de materiale, cu scopul de a capta mai bine complexitatea.