El equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) realizó experimentos controlados para entender cómo el calentamiento y enfriamiento de materiales nucleares afecta su composición química final. Según la investigación, no es solo la presencia de ciertos elementos lo que importa, sino también cuánto tiempo permanecen a diferentes temperaturas y la velocidad a la que se enfrían.

Para llevar a cabo estos experimentos, los científicos construyeron un reactor de plasma especial equipado con un tubo horno adicional. Este dispositivo puede alcanzar temperaturas superiores a 5000 kelvin (K) y permite a los investigadores controlar con precisión la velocidad de enfriamiento de los materiales y la cantidad de oxígeno presente en el ambiente.

El equipo colocó mezclas específicas de materiales cerca del plasma sobrecalentado, lo que causó que los sólidos se evaporaran. Los vapores fueron transportados a través de un tubo donde las condiciones fueron cuidadosamente controladas, permitiendo a los científicos observar cómo los materiales cambiaban mientras se enfriaban.

Los investigadores se enfocaron en un sistema compuesto por uranio, cerio y cesio (U/Ce/Cs), tres elementos especialmente importantes en la química nuclear. El material fue sometido a dos escenarios de calentamiento y enfriamiento muy diferentes. En el primer caso, los materiales se enfriaron gradualmente bajo condiciones similares a la temperatura ambiente. En el segundo, se mantuvieron a una temperatura extremadamente alta de 1400 K antes de ser enfriados rápidamente, o "templados", lo que congeló su estado químico en su lugar.

Para estudiar estos efectos, el equipo utilizó microscopía electrónica de transmisión para observar las estructuras diminutas y la composición de las nuevas fases durante la nucleación. También midieron las proporciones elementales en volumen utilizando espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS), que reveló una imagen más amplia de cómo el sistema estaba evolucionando.

Bajo ambos escenarios de enfriamiento, los elementos finalmente se condensaron en sus óxidos refractarios estables: dióxido de uranio (UO₂) para el uranio y dióxido de cerio (CeO₂) para el cerio. Sin embargo, el camino de enfriamiento produjo resultados ligeramente diferentes.

Durante el enfriamiento más lento en aire a temperatura ambiente, se formó trióxido de uranio alfa (α-UO₃) a partir de la oxidación del uranio. En contraste, cuando se utilizó el horno, el uranio se mantuvo como UO₂ y facilitó la reducción adicional del cerio hacia óxido de cerio (Ce₂O₃).

El cesio se comportó de manera diferente al uranio y al cerio en los experimentos del reactor. Actuó como el "sensor cinético" más sensible, permaneciendo volátil en la región más caliente antes de finalmente condensarse. Bajo el régimen asistido por horno, el cesio se transformó en óxido de cesio (Cs₂O) e incluso en compuestos más estables como uranato de cesio, que contribuyeron mucho más al sistema —aproximadamente diez veces más— que bajo enfriamiento continuo.

Para el uranio y el cerio, estas observaciones a escala nanométrica se adhirieron a las mediciones de ICP-MS en volumen, donde ambas proporciones permanecieron estables. Sin embargo, para el cesio, se observaron condensación retrasada y enriquecimiento transitorio, consistentes con los datos del microscopio.

Según Rakia Dhaoui, científica del LLNL y autora del estudio, "Estas partículas preservan un registro de cómo se formaron. Al estudiar estos procesos en un sistema controlado, podemos reemplazar suposiciones con mediciones, mejorar los modelos utilizados para interpretar escombros nucleares, y apoyar la toma de decisiones cuando más importa".

Los resultados demuestran cómo el historial de temperatura de eventos como explosiones nucleares puede llevar las reacciones lejos de un simple equilibrio hacia efectos cinéticos. En otras palabras, no es solo lo que está presente, sino cuánto tiempo permanece a varias temperaturas y cómo se enfría. Esto establece el cronograma para la oxidación adicional del uranio, la reducción del cerio y el comportamiento final del cesio.

Los hallazgos podrían ayudar a reconstruir las consecuencias ambientales de una catástrofe nuclear, informando modelos sobre el tipo de radiación que podríamos esperar si lo impensable sucediera. Los autores señalan que "aunque el reactor no puede reproducir la complejidad química completa de una bola de fuego nuclear, proporciona una plataforma controlada para aislar mecanismos que retrasan o avanzan la interacción entre componentes volátiles y refractarios".

Esta investigación fue publicada en la revista Analytical Chemistry y ha sido verificada por Mike McRae.