Científicos simulan una explosión nuclear y descubren sorpresas en la caída radiactiva

Cuando un arma nuclear detona o ocurre un grave accidente en un reactor, se libera una inmensa cantidad de energía en menos de un millonésimo de segundo. El calor extremo vaporiza instantáneamente el aire y los materiales cercanos, creando una brillante nube de gas y plasma en expansión. A medida que esta explosión nuclear crece, se mezcla con la atmósfera circundante, se enfría y finalmente se condensa en pequeñas partículas sólidas que se convierten en caída radiactiva.

Los científicos estudian cómo se forma la caída radiactiva porque puede proporcionar pistas valiosas sobre lo que ocurrió durante un evento nuclear y ayudar a mejorar los modelos utilizados para evaluaciones de seguridad. En un nuevo estudio publicado en Analytical Chemistry, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) investigaron cómo el uranio, el cerio y el cesio se comportan al vaporizarse, reaccionar químicamente y condensarse bajo condiciones de temperatura cuidadosamente controladas.

Sus hallazgos sugirieron que algunos modelos de caída radiactiva ampliamente utilizados podrían pasar por alto interacciones químicas importantes que ocurren a medida que se forman las partículas.

Recreando las condiciones de una explosión nuclear

"Cambiar cuánto tiempo permanecen los materiales a alta temperatura puede alterar las reacciones químicas y cómo se incorporan elementos volátiles como el cesio en las partículas", afirmó la científica del LLNL y autora Rakia Dhaoui. "Estas partículas preservan un registro de cómo se formaron. Al estudiar estos procesos en un sistema controlado, podemos reemplazar suposiciones por mediciones, mejorar los modelos utilizados para interpretar los escombros 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 imitar parte del entorno dentro de una explosión nuclear. Se introdujeron combinaciones específicas de materiales en un plasma de alta temperatura, donde se vaporizaron. El vapor resultante luego viajó a través de un tubo en el que se podían controlar cuidadosamente las temperaturas a medida que el material se enfriaba.

El dispositivo permitió a los investigadores exponer los materiales a dos escenarios de enfriamiento diferentes, conocidos como historias térmicas. En un escenario, las temperaturas disminuyeron gradualmente a lo largo del tubo. En el otro, los materiales permanecieron calientes durante un período más prolongado antes de enfriarse rápidamente. Debido a que el reactor opera continuamente, se pudieron recolectar muestras en múltiples ubicaciones, lo que permitió a los científicos observar cómo cambiaron las partículas a medida que se formaron.

Por qué importa la historia de enfriamiento

"Los estudios históricos de caída radiactiva indican que el camino que toman los materiales a medida que se enfrían es importante", dijo Dhaoui. "La tasa de enfriamiento y el tiempo a temperatura elevada pueden alterar la especiación química y la formación de partículas".

Los investigadores seleccionaron uranio, cerio y cesio porque cada uno se comporta de manera diferente durante la condensación. El uranio es relativamente menos volátil y se condensó temprano en el proceso, lo que lo convierte en un referente útil. El cerio, que a menudo se utiliza como un sustituto del plutonio, se condensó de manera similar al uranio. Sin embargo, ambos elementos mostraron cambios en su química dependiendo de la historia térmica que experimentaron.

El cesio se comportó de manera muy diferente. Se condensó mucho más tarde que los otros elementos, y cuando permaneció a altas temperaturas durante períodos más prolongados, se mezcló de manera más extensa con el uranio y el cerio.

Mejorando los modelos de caída radiactiva

Los resultados indicaron que la formación de caída radiactiva depende no solo de cuándo se condensan los diferentes elementos, sino también de cómo interactúan químicamente entre sí a medida que disminuyen las temperaturas. Muchos modelos de caída radiactiva existentes tratan principalmente los materiales como si se comportaran de manera independiente, lo que significa que algunas de estas reacciones químicas solo están representadas de manera parcial.

Al aislar los efectos de la historia térmica en un sistema experimental controlado, los investigadores generaron datos que pueden utilizarse para evaluar y mejorar los modelos de caída radiactiva que durante mucho tiempo han dependido de suposiciones simplificadas.

El equipo planeó ampliar el trabajo estudiando mezclas de materiales más realistas, con el objetivo de capturar mejor los complejos procesos que rigen la formación de caída radiactiva durante eventos nucleares del mundo real.