Os modelos preditivos que descrevem o destino e o transporte de materiais radioativos na atmosfera após um incidente nuclear (explosão ou acidente no reator) pressupõem que partículas contendo urânio atingiriam o equilíbrio químico durante a condensação do vapor.

Em um novo estudo, financiado pelo Office of Defense Nuclear Nonproliferation Research and Development (DNN R&D) dentro da Administração de Segurança Nuclear Nacional do Departamento de Energia dos EUA e da Agência de Redução de Ameaças de Defesa (DTRA) do Departamento de Defesa dos EUA. pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) e da Universidade de Illinois em Urbana – Champaign (UIUC) demonstraram que processos conduzidos pela cinética em um sistema de temperatura decrescente rapidamente podem resultar em desvios substanciais do equilíbrio químico. Isso pode fazer com que o urânio se condense em estados de oxidação metaestáveis ​​que têm pressões de vapor diferentes dos óxidos termodinamicamente favorecidos, afetando significativamente o transporte de urânio.

"Este novo estudo melhorará nossa capacidade de prever o transporte multifásico de urânio em cenários de incidentes nucleares, "disse o cientista pesquisador do LLNL Batikan Koroglu, autor principal de um artigo publicado em Química Analítica .

Os processos físicos e químicos que ocorrem durante a condensação de uma bola de fogo nuclear são aproximados usando modelos de precipitação radioativa. Esses modelos geralmente assumem que os elementos atomizados aquecidos a temperaturas extremamente altas atingirão um estado de equilíbrio químico à medida que a bola de fogo esfria e óxidos termodinamicamente favorecidos se formarão quando a temperatura cair abaixo de seus pontos de ebulição. Presume-se que o óxido de urânio se condense em sua forma mais estável após o resfriamento abaixo de sua temperatura de ebulição.

Contudo, padrões de condensação observados em amostras de precipitação revelam que alguma fração do urânio é "retida" na fase de vapor em relação aos actinídeos refratários e produtos de fissão.

"Este trabalho fornece o primeiro, percepções experimentais detalhadas capazes de ajudar a explicar o problema de longa data de por que o urânio pode exibir variações no comportamento volátil durante a condensação da bola de fogo nuclear - é uma grande novidade, "disse o cientista nuclear do LLNL Kim Knight, investigador principal do esforço de P&D do DNN.

A equipe de pesquisa sintetizou nanopartículas de óxido de urânio usando um reator de fluxo de plasma sob condições controladas de temperatura, pressão e concentração de oxigênio. Eles também desenvolveram um diagnóstico baseado em laser para detectar partículas de óxido de urânio à medida que se formavam dentro do reator de fluxo. Usando essa abordagem, os pesquisadores reuniram evidências experimentais diretas de uma mudança na composição molecular dos condensados ​​de óxido de urânio em função da concentração de oxigênio. De acordo com os pesquisadores, esses resultados indicam que os modelos cinéticos são necessários para descrever completamente o transporte de urânio após incidentes nucleares.

"Nossa colaboração com a UIUC é parte de um Projeto de Ciência Básica DTRA e nos permite modelar os dados obtidos de nosso reator de fluxo de plasma, que é um instrumento único desenvolvido aqui no Laboratório, "diz o investigador principal do LLNL DTRA, Harry Radousky. Os resultados experimentais são comparados ao modelo cinético da UIUC que descreve a oxidação de urânio em fase plasmática. A comparação destaca a competição entre a cinética de oxidação em fase gasosa de urânio e a nucleação de nanopartículas de óxido de urânio.