Quando uma arma nuclear explode ou ocorre um acidente grave num reactor, ocorre uma enorme explosão de energia em menos de um milionésimo de segundo. O calor intenso vaporiza instantaneamente o ar e os materiais próximos, criando uma nuvem brilhante e em expansão de gás e plasma. À medida que esta bola de fogo nuclear cresce, mistura-se com a atmosfera circundante, arrefece e eventualmente condensa-se em minúsculas partículas sólidas que se transformam em precipitação nuclear.
Os cientistas estudam como ocorre a precipitação radioativa porque pode fornecer pistas valiosas sobre o que aconteceu durante um evento nuclear e ajudar a melhorar os modelos utilizados para avaliar a segurança. Um novo estudo publicado em Química AnalíticaPesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) investigaram como o urânio, o cério e o césio se comportam quando vaporizam, reagem quimicamente e condensam sob condições de temperatura cuidadosamente controladas.
Suas descobertas sugerem que alguns modelos de precipitação radioativa amplamente utilizados podem ignorar interações químicas importantes que ocorrem com a formação de partículas.
Reconstrução das condições da bola de fogo nuclear
“Alterar o tempo que os materiais permanecem em altas temperaturas pode alterar as reações químicas e a forma como elementos voláteis como o césio são incorporados às partículas”, disse a cientista e autora do LLNL, Rakia Dhoui. “Essas partículas preservam um registro de como foram formadas. Ao estudar esses processos em um sistema controlado, podemos substituir suposições por medições, melhorar os modelos usados para interpretar os detritos nucleares e apoiar a tomada de decisões quando for mais importante.”
Para investigar esses processos, a equipe utilizou um reator de fluxo de plasma projetado para simular parte do ambiente dentro de uma bola de fogo nuclear. Combinações específicas de substâncias foram introduzidas num plasma de alta temperatura, onde vaporizaram. O vapor resultante então viaja através de um tubo onde a temperatura pode ser cuidadosamente controlada à medida que o material esfria.
A configuração permite aos pesquisadores expor materiais a duas condições de resfriamento diferentes, conhecidas como histórias térmicas. Num cenário, a temperatura diminuiu gradualmente ao longo do tubo. Noutra, os materiais são aquecidos durante um longo período de tempo antes de arrefecerem rapidamente. Como o reator opera continuamente, as amostras podem ser coletadas em vários locais, permitindo aos cientistas observar como as partículas mudam à medida que se formam.
Por que a história legal é importante
“Estudos históricos de precipitação indicam que é importante assumir o controle dos materiais das trilhas à medida que esfriam”, diz Dhoui. “A taxa e o tempo de resfriamento a temperaturas elevadas podem alterar as espécies químicas e a composição das partículas.”
Os pesquisadores escolheram urânio, cério e césio porque cada um se comporta de maneira diferente durante a condensação. O urânio é relativamente volátil e concentra-se no início do processo, o que o torna uma referência útil. O cério, que é frequentemente usado como substituto do plutônio, concentra-se de forma semelhante ao urânio. No entanto, ambos os elementos apresentam mudanças em sua química dependendo da história térmica que vivenciam.
O césio se comportou de maneira muito diferente. Ele condensa muito mais tarde do que outros elementos e, quando fica muito tempo em altas temperaturas, mistura-se mais extensivamente com o urânio e o cério.
Melhorando os modelos de precipitação nuclear
Os resultados indicam que a formação de precipitação depende não apenas de quando os vários componentes são condensados, mas também de como eles interagem quimicamente entre si à medida que a temperatura diminui. Muitos modelos de precipitação radioativa existentes tratam principalmente os componentes como se eles se comportassem de forma independente, o que significa que algumas dessas reações químicas são apenas parcialmente representadas.
Ao isolar os efeitos da história térmica num sistema experimental controlado, os investigadores geraram dados que podem ser usados para avaliar e melhorar modelos de precipitação que há muito dependem de suposições simplificadas.
A equipe planeja expandir o trabalho estudando misturas de materiais mais realistas com o objetivo de capturar melhor os processos complexos que governam a formação de precipitação radioativa durante eventos nucleares do mundo real.
