Até recentemente, a análise e identificação de pelotas de combustível nuclear em investigações forenses nucleares têm se concentrado principalmente nas características macroscópicas, tais como dimensões da pelota de combustível, enriquecimento de urânio e outras características específicas do reator.

Mas os cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) estão dando um passo adiante, indo até a microescala para estudar as diversas características das pelotas de combustível nuclear que poderiam melhorar a análise forense nuclear determinando com mais eficácia de onde o material veio e como foi feito. A pesquisa aparece no jornal Química Analítica .

O dióxido de urânio é o tipo de combustível mais comumente usado em reatores nucleares em todo o mundo, com instalações de fabricação de combustível produzindo centenas de pelotas de urânio por minuto. O tráfico ilícito de pellets de combustível de dióxido de urânio é um fenômeno recorrente. A maioria dos casos confirmados de tráfico de materiais nucleares que foram relatados ao Banco de Dados de Incidentes e Tráfico da Agência Internacional de Energia Atômica envolveu materiais nucleares de baixo grau (ou seja, urânio natural, urânio empobrecido e urânio pouco enriquecido), frequentemente na forma de pelotas de combustível de reator.

Esses casos são indicativos de lacunas no controle e na segurança de certos materiais nucleares e instalações nucleares. Cada fabricante de combustível aplica um conjunto um pouco diferente de processos tecnológicos ao material, o que pode ajudar a rastrear o material de volta à instalação de fabricação de combustível de origem.

"No passado, a análise de pellets de combustível e seu papel em uma investigação forense nuclear concentrou-se principalmente nas características da amostra, onde os pesquisadores olham para o enriquecimento médio, dimensões da pelota e outros recursos de macroescala, "disse a química Ruth Kips do LLNL, autor principal do artigo. "Decidimos mergulhar mais fundo nas pelotas para descobrir o que estava acontecendo em uma escala ainda menor."

Em um experimento recente, Cientistas do LLNL usaram o NanoSIMS 50 do laboratório, um espectrômetro de massa de íons secundários de alta resolução espacial, para obter imagens da composição isotópica do urânio da pelota de combustível in situ.

Os materiais analisados ​​incluíram fragmentos de pelotas obtidos como parte do Exercício de Materiais Colaborativos (CMX-4) organizado pelo Nuclear Forensics International Technical Working Group.

Os dados mostraram que a caracterização em microescala de pelotas de combustível nuclear por NanoSIMS pode revelar características do processo de produção que não foram detectadas usando o conjunto típico de medições físicas e técnicas de análise de massa aplicadas a esses tipos de materiais.

"A imagem NanoSIMS dos fragmentos da pelota de combustível CMX-4 mostrou variações distintas em microescala na composição isotópica do urânio, "disse o químico LLNL Peter Weber, co-autor correspondente do artigo. "Essas variações não foram detectadas usando as técnicas convencionais de massa aplicadas a esses materiais."

A análise de imagens NanoSIMS permitiu a caracterização direta da heterogeneidade espacial da composição isotópica do urânio da superfície dos fragmentos do pellet de combustível e a relação dessa heterogeneidade com a estrutura cristalina.

"O NanoSIMS permitiu que a distribuição da heterogeneidade isotópica fosse visualizada diretamente na amostra, "disse Michael Kristo, co-autor e líder do LLNL para análise forense nuclear. "Nosso estudo destaca a importância de caracterizar amostras em microescala para heterogeneidades que, de outra forma, seriam negligenciadas e demonstra o uso de NanoSIMS para orientar mais análises forenses nucleares."