Il fallout nucleare si forma in modi più complessi di quanto si pensasse. Questo è il risultato sorprendente emerso da un esperimento condotto presso il Lawrence Livermore National Laboratory, dove un gruppo di scienziati ha ricreato in laboratorio le condizioni estreme che si verificano all’interno di una palla di fuoco nucleare. E le implicazioni sono tutt’altro che banali: molti dei modelli usati finora per prevedere il comportamento del fallout potrebbero essere incompleti.

Quando un’arma nucleare esplode o si verifica un grave incidente in un reattore, l’energia rilasciata in una frazione di secondo vaporizza tutto ciò che si trova nelle vicinanze. Si forma una nube incandescente di gas e plasma che, espandendosi, si raffredda e condensa in minuscole particelle solide. Quelle particelle sono il fallout radioattivo. Capire come si formano non è solo un esercizio accademico: serve a ricostruire cosa sia successo durante un evento nucleare e a migliorare le valutazioni di sicurezza.

Un reattore a plasma per imitare l’inferno nucleare

Per studiare questi processi, il team ha utilizzato un reattore a flusso di plasma progettato per simulare parte dell’ambiente interno alla palla di fuoco nucleare. Combinazioni specifiche di materiali, tra cui uranio, cerio e cesio, sono state introdotte in un plasma ad altissima temperatura, dove venivano vaporizzate. Il vapore poi attraversava un tubo con temperature controllabili, permettendo ai ricercatori di osservare cosa accadeva durante il raffreddamento.

Due scenari diversi sono stati testati: uno con un calo graduale della temperatura, l’altro con un periodo prolungato di calore intenso seguito da un raffreddamento rapido. La differenza tra queste due “storie termiche” si è rivelata decisiva.

L’uranio e il cerio, quest’ultimo spesso usato come sostituto del plutonio, si sono condensati in modo relativamente prevedibile nelle fasi iniziali. Il cesio, invece, ha raccontato una storia completamente diversa. Essendo un elemento molto più volatile, si è condensato molto più tardi. E quando è rimasto esposto ad alte temperature più a lungo, si è mescolato in maniera molto più intensa con uranio e cerio, creando interazioni chimiche che i modelli tradizionali non catturano adeguatamente.

Perché questi risultati contano davvero

Rakia Dhaoui, scienziata del laboratorio e autrice dello studio pubblicato su Analytical Chemistry, ha spiegato che le particelle conservano una sorta di memoria di come si sono formate. Studiare questi processi in un sistema controllato permette di sostituire le ipotesi con misurazioni reali e di affinare i modelli utilizzati per interpretare i detriti nucleari.

Il punto chiave è questo: i modelli esistenti sul fallout tendono a trattare i materiali come se agissero in modo indipendente l’uno dall’altro. Ma la realtà sperimentale mostra che le interazioni chimiche tra elementi diversi durante il raffreddamento giocano un ruolo fondamentale nella formazione delle particelle. Ignorarle significa ottenere previsioni potenzialmente inaccurate.

Il prossimo passo del gruppo di ricerca sarà lavorare con miscele di materiali ancora più realistiche, cercando di avvicinarsi il più possibile alla complessità di un vero evento nucleare. Un lavoro paziente, fatto di dettagli e temperature controllate al millesimo, che potrebbe cambiare il modo in cui la comunità scientifica comprende e prevede il comportamento del fallout nucleare nel mondo reale.

L'articolo Fallout nucleare: la scoperta che cambia tutto sui modelli esistenti proviene da Tecnoapple.

Esiste una forma di superconduttività che si comporta in modo così bizzarro da essersi guadagnata il soprannome di “fase Lazzaro”. Sparisce, come ci si aspetterebbe, sotto l’effetto di campi magnetici potenti. E fin qui, tutto normale. Ma poi, quando il campo magnetico diventa ancora più forte, quella stessa superconduttività torna in vita. Come se nulla fosse successo. Questo fenomeno è stato osservato nell’uranio ditelluride (UTe2), un materiale che sta mettendo in crisi parecchie certezze della fisica dei materiali.

La scoperta, guidata in parte dal fisico Andriy Nevidomskyy della Rice University, è stata pubblicata sulla rivista Science e racconta qualcosa che, a prima vista, non dovrebbe esistere. In condizioni normali, i campi magnetici sono il nemico giurato dei superconduttori. Anche campi relativamente modesti tendono a indebolire la superconduttività, e quelli più intensi la eliminano del tutto oltre una certa soglia critica. L’uranio ditelluride, però, se ne infischia di questa regola. Già nel 2019 si era scoperto che poteva restare superconduttore in campi magnetici centinaia di volte più forti rispetto a quelli tollerati dai materiali convenzionali. Ma la vera sorpresa è arrivata dopo.

La fase Lazzaro e quell’alone a forma di ciambella

Quello che hanno osservato i ricercatori dell’Università del Maryland e del National Institute of Standards and Technology è qualcosa di davvero controintuitivo. Nell’UTe2, la superconduttività scompare sotto i 10 Tesla, che è già un campo magnetico enorme. Poi, sopra i 40 Tesla, ricompare. Nevidomskyy ha ammesso di essere rimasto sbalordito vedendo i dati sperimentali per la prima volta. La superconduttività ad alto campo sembrava limitata a una direzione molto stretta rispetto al cristallo, senza una spiegazione immediata.

Le misurazioni successive hanno rivelato che la regione superconduttiva assume una forma toroidale, una specie di ciambella tridimensionale che avvolge un asse specifico della struttura cristallina. Un risultato definito “sorprendente e bellissimo” da Sylvia Lewin del NIST, tra le autrici principali dello studio. Per dare un senso a tutto questo, Nevidomskyy ha costruito un modello teorico fenomenologico che si concentra sul comportamento complessivo piuttosto che sui meccanismi microscopici esatti. E i risultati combaciano in modo convincente con i dati sperimentali.

Come magnetismo e superconduttività riescono a convivere

Un aspetto particolarmente affascinante riguarda le coppie di Cooper, le coppie di elettroni responsabili della superconduttività. In questo materiale, si comportano come se possedessero un momento angolare, simile a quello di un oggetto in rotazione. Quando il campo magnetico interagisce con questo moto, produce un effetto direzionale che genera proprio quell’alone osservato sperimentalmente.

C’è poi la questione della cosiddetta transizione metamagnetica, un aumento improvviso della magnetizzazione del campione. La superconduttività ad alto campo appare solo dopo che il campo raggiunge questo valore soglia, che a sua volta dipende fortemente dall’angolo. Gli scienziati stanno ancora discutendo su cosa provochi esattamente questa transizione e su come influenzi il ritorno della superconduttività.

Sapere che le coppie di Cooper nell’uranio ditelluride portano con sé un momento magnetico è, secondo Nevidomskyy, uno dei risultati chiave dello studio. Un punto di partenza solido per le indagini future su un materiale che continua a sorprendere. La ricerca è stata finanziata dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation, con il coinvolgimento di team del NIST, dell’Università del Maryland e del Los Alamos National Laboratory.

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