Går småt for at bestemme, hvor nukleart materiale kom fra, og hvordan det blev lavet

Indtil for nylig, analysen og identifikationen af ​​nukleart brændsel i nuklear retsmedicinske undersøgelser har hovedsageligt været fokuseret på makroskopiske karakteristika, såsom brændstofpilledimensioner, uranberigelse og andre reaktorspecifikke funktioner.

Men forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) går et skridt videre ved at gå ned til mikroskalaen for at studere de forskellige egenskaber ved nukleare brændstofpellets, der kunne forbedre nuklear retsmedicinsk analyse ved mere effektivt at bestemme, hvor materialet kom fra, og hvordan det blev fremstillet. Forskningen vises i tidsskriftet Analytisk kemi .

Urandioxid er den mest almindeligt anvendte brændselstype i atomreaktorer verden over, med brændstoffabrikationsanlæg, der producerer hundredvis af uranium pellets i minuttet. Ulovlig handel med urandioxid-brændstofpiller er et tilbagevendende fænomen. Størstedelen af ​​bekræftede tilfælde af handel med nukleare materialer, der blev rapporteret til Det Internationale Atomenergiagenturs Incident and Trafficking Database, involverede nukleare materialer af lav kvalitet (dvs. naturligt uran, forarmet uran og lavt beriget uran), ofte i form af reaktorbrændstofpiller.

Disse tilfælde er tegn på huller i kontrollen og sikkerheden af ​​visse nukleare materialer og nukleare anlæg. Hver brændstofproducent anvender et noget andet sæt teknologiske processer til materialet, som kan hjælpe med at spore materialet tilbage til det oprindelige brændstoffabrikationsanlæg.

"I fortiden, analysen af ​​brændstofpiller og deres rolle i en nuklear efterforskning har for det meste fokuseret på prøvekarakteristika, hvor forskere ser på gennemsnitlig berigelse, pelletdimensioner og andre makroskalafunktioner, " sagde LLNL kemiker Ruth Kips, hovedforfatter af papiret. "Vi besluttede at dykke dybere ned i pillerne for at finde ud af, hvad der skete i endnu mindre skala."

I et nyligt eksperiment, LLNL-forskere brugte laboratoriets NanoSIMS 50, et sekundært ionmassespektrometer med høj rumlig opløsning, for at afbilde brændstofpellets uran isotopsammensætning in situ.

De analyserede materialer omfattede pelletfragmenter opnået som en del af Collaborative Materials Exercise (CMX-4) organiseret af Nuclear Forensics International Technical Working Group.

Dataene viste, at mikroskalakarakteriseringen af ​​kernebrændselspellets af NanoSIMS kan afsløre produktionsproceskarakteristika, der ikke blev opdaget ved hjælp af det typiske sæt af fysiske målinger og bulkanalyseteknikker anvendt på disse typer materialer.

"NanoSIMS-billeddannelse af CMX-4-brændstofpelletfragmenterne viste tydelige mikroskalavariationer i urans isotopsammensætning, " sagde LLNL kemiker Peter Weber, medkorresponderende forfatter til papiret. "Disse variationer blev ikke detekteret ved hjælp af de konventionelle bulkteknikker anvendt på disse materialer."

NanoSIMS billeddannelsesanalyse tillod direkte karakterisering af den rumlige heterogenitet af uran-isotopsammensætningen af ​​overfladen af ​​brændstofpelletfragmenter og forholdet mellem denne heterogenitet og krystalstruktur.

"NanoSIMS tillod fordelingen af ​​isotopisk heterogenitet at blive direkte visualiseret i prøven, " sagde Michael Kristo, medforfatter og LLNL leder for nuklear efterforskning. "Vores undersøgelse fremhæver vigtigheden af ​​at karakterisere prøver på mikroskala for heterogeniteter, som ellers ville blive overset, og demonstrerer brugen af ​​NanoSIMS til at vejlede yderligere nuklear retsmedicinsk analyse."