Cuando explota un arma nuclear o se produce un accidente grave en un reactor, se produce una enorme explosión de energía en menos de una millonésima de segundo. El intenso calor vaporiza instantáneamente el aire y los materiales cercanos, creando una nube brillante y en expansión de gas y plasma. A medida que esta bola de fuego nuclear crece, se mezcla con la atmósfera circundante, se enfría y, finalmente, se condensa en pequeñas partículas sólidas que se convierten en lluvia radiactiva nuclear.
Los científicos estudian cómo se produce la lluvia radiactiva porque puede proporcionar pistas valiosas sobre lo que sucedió durante un evento nuclear y ayudar a mejorar los modelos utilizados para evaluar la seguridad. Un nuevo estudio publicado en Química analíticaInvestigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) investigaron cómo se comportan el uranio, el cerio y el cesio cuando se vaporizan, reaccionan químicamente y se condensan en condiciones de temperatura cuidadosamente controladas.
Sus hallazgos sugieren que algunos modelos de lluvia radiactiva ampliamente utilizados pueden ignorar importantes interacciones químicas que ocurren con la formación de partículas.
Reconstrucción de las condiciones de la bola de fuego nuclear.
“Cambiar el tiempo que los materiales permanecen a altas temperaturas puede cambiar las reacciones químicas y la forma en que los elementos volátiles como el cesio se incorporan a las partículas”, dijo la científica y autora de LLNL Rakia Dhoui. “Estas partículas conservan un registro de cómo se formaron. Al estudiar estos procesos en un sistema controlado, podemos reemplazar las suposiciones con mediciones, mejorar los modelos utilizados para interpretar los desechos nucleares y apoyar la toma de decisiones cuando más importa”.
Para investigar estos procesos, el equipo utilizó un reactor de flujo de plasma diseñado para simular parte del entorno dentro de una bola de fuego nuclear. Se introdujeron combinaciones específicas de sustancias en un plasma a alta temperatura, donde se vaporizaron. Luego, el vapor resultante viaja a través de un tubo donde la temperatura se puede controlar cuidadosamente a medida que el material se enfría.
La configuración permite a los investigadores exponer materiales a dos condiciones de enfriamiento diferentes, conocidas como historias térmicas. En un escenario, la temperatura disminuyó gradualmente a lo largo del tubo. En otro, los materiales se calientan durante un largo tiempo antes de enfriarse rápidamente. Debido a que el reactor funciona continuamente, se pueden recolectar muestras en múltiples ubicaciones, lo que permite a los científicos observar cómo cambian las partículas a medida que se forman.
Por qué la historia genial es importante
“Los estudios históricos sobre la lluvia radiactiva indican que es importante hacerse cargo de los materiales de los senderos a medida que se enfrían”, dice Dhoui. “La velocidad y el tiempo de enfriamiento a temperaturas elevadas pueden cambiar las especies químicas y la composición de las partículas”.
Los investigadores eligieron uranio, cerio y cesio porque cada uno se comporta de manera diferente durante la condensación. El uranio es relativamente volátil y se concentra en las primeras etapas del proceso, lo que lo convierte en un punto de referencia útil. El cerio, que a menudo se utiliza como sustituto del plutonio, se concentra de manera similar al uranio. Sin embargo, ambos elementos muestran cambios en su química dependiendo de la historia térmica que experimentan.
El cesio se comportó de manera muy diferente. Se condensa mucho más tarde que otros elementos y, cuando permanece a altas temperaturas durante mucho tiempo, se mezcla más ampliamente con el uranio y el cerio.
Mejora de los modelos de lluvia nuclear
Los resultados indican que la formación de lluvia depende no sólo de cuándo se condensan los distintos componentes, sino también de cómo interactúan químicamente entre sí a medida que disminuye la temperatura. Muchos modelos de lluvia radiactiva existentes tratan principalmente los componentes como si se comportaran de forma independiente, lo que significa que algunas de estas reacciones químicas sólo están representadas parcialmente.
Al aislar los efectos de la historia térmica en un entorno experimental controlado, los investigadores han generado datos que pueden usarse para evaluar y mejorar los modelos de lluvia radiactiva que durante mucho tiempo se han basado en suposiciones simplificadas.
El equipo planea ampliar el trabajo estudiando mezclas de materiales más realistas con el objetivo de capturar mejor los complejos procesos que gobiernan la formación de lluvia radiactiva durante eventos nucleares del mundo real.
