I modelli predittivi che descrivono il destino e il trasporto di materiali radioattivi nell'atmosfera a seguito di un incidente nucleare (esplosione o incidente del reattore) presumono che le particelle contenenti uranio raggiungano l'equilibrio chimico durante la condensazione del vapore.

In un nuovo studio, finanziato dall'Ufficio della difesa per la ricerca e lo sviluppo sulla non proliferazione nucleare (DNN R&D) all'interno della National Nuclear Security Administration del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti e la sovvenzione scientifica di base dell'Agenzia per la riduzione delle minacce (DTRA) del Dipartimento della difesa degli Stati Uniti, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign (UIUC) hanno dimostrato che i processi guidati dalla cinetica in un sistema di temperatura in rapida diminuzione possono provocare deviazioni sostanziali dall'equilibrio chimico. Ciò può causare la condensazione dell'uranio in stati di ossidazione metastabili che hanno pressioni di vapore diverse rispetto agli ossidi termodinamicamente favoriti, incidere in modo significativo sul trasporto di uranio.

"Questo nuovo studio migliorerà la nostra capacità di prevedere il trasporto multifase dell'uranio in scenari di incidenti nucleari, " ha affermato il ricercatore LLNL Batikan Koroglu, autore principale di un articolo apparso in Chimica analitica .

I processi fisici e chimici che si verificano durante la condensazione di una palla di fuoco nucleare sono approssimati utilizzando modelli di fallout. Questi modelli generalmente presuppongono che gli elementi atomizzati riscaldati a temperature estremamente elevate raggiungano uno stato di equilibrio chimico quando la palla di fuoco si raffredda e si formano ossidi termodinamicamente favoriti una volta che la temperatura scende al di sotto dei loro punti di ebollizione. Si presume che l'ossido di uranio si condensi nella sua forma più stabile dopo il raffreddamento al di sotto della sua temperatura di ebollizione.

Però, i modelli di condensazione osservati nei campioni di fallout rivelano che una certa frazione dell'uranio è "sostenuta" nella fase vapore rispetto agli attinidi refrattari e ai prodotti di fissione.

"Questo lavoro fornisce il primo, approfondimenti sperimentali dettagliati in grado di aiutare a spiegare l'annoso problema del perché l'uranio può mostrare variazioni nel comportamento volatile durante la condensazione della palla di fuoco nucleare:è un grande primo, " ha detto lo scienziato nucleare LLNL Kim Knight, investigatore principale per lo sforzo di ricerca e sviluppo DNN.

Il team di ricerca ha sintetizzato nanoparticelle di ossido di uranio utilizzando un reattore a flusso di plasma in condizioni di temperatura controllate, pressione e concentrazione di ossigeno. Hanno anche sviluppato una diagnostica basata su laser per rilevare le particelle di ossido di uranio mentre si formavano all'interno del reattore a flusso. Utilizzando questo approccio, i ricercatori hanno raccolto prove sperimentali dirette per un cambiamento nella composizione molecolare dei condensati di ossido di uranio in funzione della concentrazione di ossigeno. Secondo i ricercatori, questi risultati indicano che sono necessari modelli cinetici per descrivere completamente il trasporto dell'uranio dopo incidenti nucleari.

"La nostra collaborazione con UIUC fa parte di un progetto scientifico di base DTRA e ci consente di modellare i dati ottenuti dal nostro reattore a flusso di plasma, che è uno strumento unico sviluppato qui al Lab, " afferma Harry Radousky, ricercatore principale del LLNL DTRA. I risultati sperimentali vengono confrontati con il modello cinetico dell'UIUC che descrive l'ossidazione in fase plasmatica dell'uranio. Il confronto evidenzia la competizione tra la cinetica dell'ossidazione in fase gassosa dell'uranio e la nucleazione delle nanoparticelle di ossido di uranio.