A ocorrência de episódios de queda radioativa nuclear - sejam provocados de forma intencional ou por acidente - é algo que esperamos que nunca venha a acontecer.
Ainda assim, caso aconteçam, perceber antecipadamente quais podem ser as consequências é essencial para o planeamento de segurança e para a gestão de emergências.
Porque simular a química da queda radioativa nuclear
Com esse objectivo, uma equipa do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), nos Estados Unidos, realizou ensaios controlados recorrendo a um tubo de plasma de alta temperatura. A ideia foi reproduzir, de forma parcial, as condições de uma bola de fogo nuclear e observar como se comportariam, ao arrefecer, partículas vaporizadas durante uma reacção de fissão.
Como foi montado o ensaio no tubo de plasma do LLNL
Para iniciar as experiências, os investigadores selecionaram três elementos de partida: urânio (combustível usado em muitas armas e reactores), césio (subproduto radioactivo da fissão nuclear) e cério (utilizado como substituto do plutónio, que é empregado em armas nucleares).
Um ponto decisivo do trabalho foi a comparação de dois cenários distintos (dois “históricos térmicos”): um arrefecimento estável e contínuo, e outro em que a temperatura se mantinha muito elevada durante mais tempo antes de descer de forma rápida.
"Alterar durante quanto tempo os materiais permanecem a alta temperatura pode modificar as reacções químicas e a forma como elementos voláteis como o césio são incorporados nas partículas", afirma a química Rakia Dhaoui.
"Estudos históricos de queda radioativa indicam que o percurso que os materiais seguem ao arrefecer é importante."
Para executar os testes, a equipa utilizou o seu reactor de escoamento de plasma, com cerca de um metro de comprimento (39.4 polegadas). Nesse sistema, aqueceram os elementos até aproximadamente 5,000 Kelvin (4,727 graus Celsius ou 8,540 graus Fahrenheit).
A bola de fogo inicial, extremamente quente, vaporizou tudo - tal como aconteceria numa explosão nuclear. O que mais interessou aos investigadores foi o que ocorre depois: de que modo os três elementos originais se condensam novamente e passam a constituir partículas.
O que aconteceu com urânio, cério e césio ao arrefecer
No caso do urânio e do cério, os padrões observados foram, em geral, parecidos.
Ambos começaram a condensar relativamente cedo assim que a temperatura iniciou a descida, tanto no cenário de arrefecimento contínuo como no de arrefecimento atrasado. Ainda assim, verificaram-se algumas diferenças nos compostos adicionais que cada elemento acabou por incorporar.
Já o césio foi o que mais surpreendeu a equipa, por apresentar um comportamento inesperado.
Em ambos os cenários, o césio só condensou bastante mais tarde do que o urânio e o cério. Além disso, quando a temperatura se manteve alta durante mais tempo, o césio acabou por se combinar mais com outros elementos e originar compostos de maior complexidade.
Para além de permitir antecipar melhor a queda radioativa nuclear, estes resultados também podem ser úteis no sentido inverso: analisar os vestígios de um evento nuclear e deduzir que condições terão levado à formação das partículas condensadas.
"Estas partículas conservam um registo de como se formaram", diz Dhaoui.
"Ao estudar estes processos num sistema controlado, podemos substituir suposições por medições, melhorar os modelos usados para interpretar detritos nucleares e apoiar a tomada de decisões quando isso é mais importante."
O que isto muda nos modelos de nuvens radioactivas
A diversidade de condições testadas nestas experiências contrasta com abordagens mais tradicionais para modelar nuvens radioactivas, conhecidas como modelos de equilíbrio.
Esses métodos partem do princípio de reacções químicas mais estáveis e uniformes e, por isso, podem não captar pormenores associados a alterações na velocidade de arrefecimento - como ficou evidente aqui no caso do césio.
Limitações do sistema e próximos passos
Os próprios autores reconhecem que se trata de um sistema simplificado e controlado em laboratório, e que não ocorreu qualquer reacção nuclear dentro do tubo de plasma.
Ainda assim, defendem que estas novas observações podem ser avaliadas em conjunto com os resultados de outros modelos, de modo a construir uma visão mais nítida da química da queda radioativa nuclear.
As implicações podem, além disso, ultrapassar o contexto de incidentes nucleares. As conclusões poderão ser relevantes para outros ambientes de temperaturas muito elevadas, e a configuração experimental poderá ser alargada para incluir outros tipos de elementos e compostos.
Num passo seguinte, este tipo de experiência poderá tornar-se mais complexo e ser modelado de forma mais próxima de cenários do mundo real - em que um reactor nuclear, por exemplo, estaria rodeado de betão, água, vidro, solo e muitos outros materiais.
"Embora o reactor não consiga reproduzir toda a complexidade química de uma bola de fogo nuclear, oferece uma plataforma controlada para isolar mecanismos que atrasam ou adiantam a interacção entre componentes voláteis e refractários", escrevem os investigadores no artigo publicado.
"Esta capacidade reforça os esforços para interpretar assinaturas de fraccionamento em sistemas simplificados de detritos."
A investigação foi publicada na revista Química Analítica.
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