Quando uma arma nuclear detona ou ocorre um grande acidente num reactor, uma enorme libertação de energia é libertada 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 este bólido 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 a precipitação se forma porque pode fornecer pistas valiosas sobre o que aconteceu durante um desastre nuclear e ajudar a melhorar os modelos usados para avaliar a segurança. Em um novo estudo publicado em Química analíticapesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) estudaram como o urânio, o cério e o césio se comportam à medida que vaporizam, reagem quimicamente e se condensam sob temperaturas cuidadosamente controladas.
Suas descobertas sugerem que alguns modelos de precipitação amplamente utilizados podem não levar em conta interações químicas importantes que ocorrem durante a formação de partículas.
Restauração das condições da balida nuclear
“Alterar o tempo que os materiais permanecem em alta temperatura pode alterar as reações químicas e a forma como elementos voláteis como o césio são incorporados às partículas”, disse o cientista e autor do LLNL, Rakiya Dhawi. “Essas partículas mantêm 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 for mais importante.”
Para investigar esses processos, a equipe utilizou um reator de fluxo de plasma projetado para simular parte do ambiente dentro de um ballide nuclear. Combinações específicas de materiais foram introduzidas no plasma de alta temperatura, onde vaporizaram. O vapor resultante foi então passado através de um tubo onde a temperatura poderia ser cuidadosamente controlada à medida que o material esfriava.
A configuração permitiu aos pesquisadores submeter os materiais a dois cenários de resfriamento diferentes, conhecidos como histórias térmicas. Num cenário, a temperatura diminuiu gradualmente em todo o tubo. Em outro, os materiais permaneceram quentes por longos períodos de tempo antes de esfriarem 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 o histórico de resfriamento é importante
“Estudos históricos de precipitação mostram que o caminho percorrido pelos materiais à medida que esfriam é importante”, disse Dhowie. “A taxa e o tempo de resfriamento em temperaturas elevadas podem alterar as espécies químicas e a formação de partículas.”
Os pesquisadores escolheram urânio, cério e césio porque cada um se comporta de maneira diferente durante a condensação. O urânio é relativamente menos volátil e condensa no início do processo, tornando-o uma referência útil. O cério, que é frequentemente usado como substituto do plutônio, condensa de maneira semelhante ao urânio. Porém, ambos os elementos apresentaram alterações em sua composição química dependendo da história térmica que vivenciaram.
O césio se comportou de maneira bem diferente. Ele condensou muito mais tarde do que os outros elementos e, quando permaneceu em altas temperaturas por mais tempo, misturou-se muito mais ativamente com o urânio e o cério.
Melhorando os modelos de precipitação nuclear
Os resultados mostram que a formação da precipitação depende não apenas de quando os diferentes elementos se condensam, mas também de como eles interagem quimicamente entre si à medida que a temperatura cai. Muitos modelos de precipitação existentes tratam principalmente os materiais como se se comportassem de forma independente, o que significa que algumas destas reações químicas são apenas parcialmente representadas.
Ao isolar o efeito da história térmica num sistema experimental controlado, os investigadores geraram dados que podem ser utilizados para avaliar e melhorar modelos de precipitação que há muito se baseiam em suposições simplistas.
A equipe planeja ampliar o trabalho estudando misturas de materiais mais realistas, a fim de capturar melhor os processos complexos que governam a formação de precipitação durante eventos nucleares reais.
