Hasta hace poco, el análisis y la identificación de pastillas de combustible nuclear en las investigaciones forenses nucleares se han centrado principalmente en las características macroscópicas, como las dimensiones de los pellets de combustible, enriquecimiento de uranio y otras características específicas de los reactores.

Pero los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) van un paso más allá al bajar a la microescala para estudiar las diversas características de los gránulos de combustible nuclear que podrían mejorar el análisis forense nuclear al determinar de manera más efectiva de dónde vino el material y cómo se fabricó. La investigación aparece en la revista Química analítica .

El dióxido de uranio es el tipo de combustible más utilizado en los reactores nucleares en todo el mundo. con instalaciones de fabricación de combustible que producen cientos de gránulos de uranio por minuto. El tráfico ilícito de pastillas de combustible de dióxido de uranio es un fenómeno recurrente. La mayoría de los casos confirmados de tráfico de materiales nucleares que se notificaron a la Base de datos de incidentes y tráfico del Organismo Internacional de Energía Atómica involucraron materiales nucleares de baja calidad (es decir, uranio natural, uranio empobrecido y uranio poco enriquecido), a menudo en forma de pellets de combustible de reactor.

Estos casos son indicativos de lagunas en el control y la seguridad de determinados materiales e instalaciones nucleares. Cada fabricante de combustible aplica un conjunto de procesos tecnológicos algo diferente al material, lo que puede ayudar a rastrear el material hasta la instalación de fabricación de combustible de origen.

"En el pasado, el análisis de los pellets de combustible y su papel en una investigación forense nuclear se ha centrado principalmente en las características de la muestra donde los investigadores observan el enriquecimiento promedio, dimensiones del pellet y otras características macroescala, "dijo la química de LLNL, Ruth Kips, autor principal del artículo. "Decidimos sumergirnos más profundamente en los gránulos para averiguar qué estaba sucediendo a una escala aún menor".

En un experimento reciente, Los científicos de LLNL utilizaron el NanoSIMS 50 del laboratorio, un espectrómetro de masas de iones secundarios de alta resolución espacial, para obtener imágenes de la composición isotópica de uranio de pellets de combustible in situ.

Los materiales analizados incluyeron fragmentos de pellets obtenidos como parte del Ejercicio Colaborativo de Materiales (CMX-4) organizado por el Grupo de Trabajo Técnico Internacional de Investigación Forense Nuclear.

Los datos mostraron que la caracterización a microescala de pellets de combustible nuclear por NanoSIMS puede revelar características del proceso de producción que no fueron detectadas usando el conjunto típico de medidas físicas y técnicas de análisis masivo aplicadas a este tipo de materiales.

"Las imágenes NanoSIMS de los fragmentos de pastillas de combustible CMX-4 mostraron distintas variaciones a microescala en la composición isotópica del uranio, "dijo el químico de LLNL Peter Weber, coautor correspondiente del artículo. "Estas variaciones no se detectaron utilizando las técnicas convencionales a granel aplicadas a estos materiales".

El análisis de imágenes NanoSIMS permitió la caracterización directa de la heterogeneidad espacial de la composición isotópica de uranio de la superficie de los fragmentos de pastillas de combustible y la relación de esa heterogeneidad con la estructura cristalina.

"NanoSIMS permitió visualizar directamente la distribución de la heterogeneidad isotópica en la muestra, "dijo Michael Kristo, coautor y líder del LLNL para análisis forense nuclear. "Nuestro estudio destaca la importancia de caracterizar muestras a microescala para detectar heterogeneidades que de otro modo se pasarían por alto y demuestra el uso de NanoSIMS para guiar más análisis forenses nucleares".