Fino a poco tempo fa, l'analisi e l'identificazione di pellet di combustibile nucleare nelle indagini forensi nucleari si sono concentrate principalmente sulle caratteristiche macroscopiche, come le dimensioni del pellet di combustibile, arricchimento dell'uranio e altre caratteristiche specifiche del reattore.

Ma gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) stanno facendo un ulteriore passo avanti scendendo alla microscala per studiare le diverse caratteristiche dei pellet di combustibile nucleare che potrebbero migliorare l'analisi forense nucleare determinando in modo più efficace da dove proviene il materiale e come è stato realizzato. La ricerca appare sulla rivista Chimica analitica .

Il biossido di uranio è il tipo di combustibile più comunemente usato nei reattori nucleari in tutto il mondo, con impianti di fabbricazione del combustibile che producono centinaia di pellet di uranio al minuto. Il traffico illecito di pellet di combustibile di biossido di uranio è un fenomeno ricorrente. La maggior parte dei casi confermati di traffico di materiali nucleari che sono stati segnalati alla banca dati sugli incidenti e sul traffico dell'Agenzia internazionale per l'energia atomica riguardava materiali nucleari di bassa qualità (cioè, uranio naturale, uranio impoverito e uranio debolmente arricchito), spesso sotto forma di pellet di combustibile per reattori.

Questi casi sono indicativi di lacune nel controllo e nella sicurezza di alcuni materiali e impianti nucleari. Ogni produttore di carburante applica al materiale una serie leggermente diversa di processi tecnologici, che può aiutare a risalire al materiale fino all'impianto di fabbricazione del carburante originario.

"Nel passato, l'analisi dei pellet di combustibile e il loro ruolo in un'indagine forense nucleare si è concentrata principalmente sulle caratteristiche del campione in cui i ricercatori esaminano l'arricchimento medio, dimensioni del pellet e altre caratteristiche su macroscala, " ha detto il chimico LLNL Ruth Kips, autore principale del paper. "Abbiamo deciso di immergerci più a fondo nei pellet per capire cosa stava succedendo su scala ancora più piccola".

In un recente esperimento, Gli scienziati LLNL hanno utilizzato NanoSIMS 50 del laboratorio, uno spettrometro di massa di ioni secondari ad alta risoluzione spaziale, all'immagine della composizione isotopica dell'uranio in pellet di combustibile in situ.

I materiali analizzati includevano frammenti di pellet ottenuti come parte del Collaborative Materials Exercise (CMX-4) organizzato dal Nuclear Forensics International Technical Working Group.

I dati hanno mostrato che la caratterizzazione su microscala dei pellet di combustibile nucleare da parte di NanoSIMS può rivelare caratteristiche del processo di produzione che non sono state rilevate utilizzando il tipico insieme di misurazioni fisiche e tecniche di analisi di massa applicate a questi tipi di materiali.

"L'imaging NanoSIMS dei frammenti di pellet di combustibile CMX-4 ha mostrato distinte variazioni su microscala nella composizione isotopica dell'uranio, " ha detto il chimico LLNL Peter Weber, autore corrispondente dell'articolo. "Queste variazioni non sono state rilevate utilizzando le tecniche di massa convenzionali applicate a questi materiali".

L'analisi delle immagini NanoSIMS ha consentito la caratterizzazione diretta dell'eterogeneità spaziale della composizione isotopica dell'uranio della superficie dei frammenti di pellet di combustibile e la relazione di tale eterogeneità con la struttura cristallina.

"NanoSIMS ha permesso di visualizzare direttamente la distribuzione dell'eterogeneità isotopica nel campione, " ha detto Michael Kristo, co-autore e responsabile LLNL per la medicina legale nucleare. "Il nostro studio evidenzia l'importanza di caratterizzare i campioni su microscala per le eterogeneità che altrimenti verrebbero trascurate e dimostra l'uso di NanoSIMS nel guidare ulteriori analisi forensi nucleari".