Rapid Microanalysis-Based Process for Nuclear Material Characterization for Nuclear Forensics

Cuando se detona un dispositivo nuclear o cuando se intercepta material nuclear ilícito, los escombros resultantes son una mezcla caótica de metal fundido, suelo y partículas radiactivas. Para comprender qué sucedió, de dónde vino y quién lo fabricó, los científicos deben analizar estos escombros. Este campo, conocido como forense nuclear, se basa en la medición de los tipos específicos de átomos dentro del material. Los métodos tradicionales consisten en tomar un trozo grande de la muestra, disolverlo por completo en ácido y someterlo a una serie de baños químicos para separar los elementos. Si bien este enfoque es fiable, es lento y trata a toda la muestra como una sustancia única y uniforme. El problema es que los escombros nucleares rara vez son uniformes; son una colección de partículas individuales, cada una de las cuales puede contener una historia diferente sobre el evento que las creó. Si un científico disuelve toda la muestra a la vez, estas diferencias únicas se pierden, mezclándose en un promedio único que oculta la verdad.

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste ha desarrollado una nueva forma de abordar este problema, una que se centra en las partículas individuales en lugar de en todo el montón. En lugar de disolver todo inmediatamente, su nuevo proceso actúa como un reflector de alta tecnología, escaneando una muestra para encontrar las motas radiactivas específicas que más importan. Una vez localizados estos "puntos calientes", los científicos extraen solo esas diminutas partículas, las disuelven en una gota de líquido y las analizan por separado. Este enfoque les permite ver las huellas químicas distintivas de las partículas individuales, revelando variaciones que serían invisibles en un análisis de masa estándar. Al centrarse únicamente en las piezas más interesantes y utilizar sistemas automatizados para manejar las cantidades diminutas de líquido, el equipo ha creado una vía que podría ofrecer respuestas críticas mucho más rápido de lo que permiten los métodos actuales.

Los investigadores probaron este nuevo flujo de trabajo utilizando dos tipos diferentes de escombros nucleares simulados. En la primera prueba, utilizaron partículas de aproximadamente un milímetro de diámetro, más o menos del tamaño de un grano de arena, que contenían plutonio de grado de armas y productos de fisión. En la segunda, utilizaron partículas mucho más pequeñas, de unos cincuenta micrómetros de diámetro, esparcidas sobre un papel de filtro. El primer paso de su proceso fue localizar estas partículas. Utilizaron un sistema de imagen especializado llamado detector de imágenes cuánticas de radiación ionizante, que actúa como una cámara sensible a la radiación. Este dispositivo tomó una foto de la muestra, mostrando exactamente dónde se encontraban las partículas radiactivas. Para las partículas más grandes, el sistema las identificó claramente contra un fondo en blanco. Para las partículas más pequeñas en el filtro, el sistema mapeó seis áreas de interés específicas, distinguiendo entre los puntos con alta radiación y los puntos con niveles de fondo únicamente.

Una vez identificadas las ubicaciones, el equipo pasó a la fase de extracción. Para las partículas más grandes, las seleccionaron físicamente y las colocaron en un pequeño disco metálico. Para las partículas más pequeñas en el filtro, utilizaron un pequeño perforador para recortar las secciones específicas del papel que contenían la radiación. Estas diminutas muestras fueron disueltas utilizando un manipulador de líquidos robótico que añadió cantidades precisas de ácido y calor. El objetivo era convertir las partículas sólidas en una forma líquica utilizando la menor cantidad posible de reactivos. Tras la disolución, el líquido se pasó a través de columnas fabricadas mediante impresión 3D que actuaban como diminutos filtros químicos. Estas columnas separaron los diferentes elementos, aislando el uranio, el plutonio y el neptunio de los demás escombros. Finalmente, los líquidos purificados se introdujeron directamente en un espectrómetro de masas, una máquina que pesa los átomos para determinar exactamente qué isótopos estaban presentes y en qué cantidades.

Los resultados de estos experimentos demostraron que el nuevo método funciona y, lo que es más importante, que revela detalles que el método antiguo pasaría por alto. Cuando el equipo analizó las partículas grandes individuales, descubrieron que, aunque la mayoría tenían proporciones similares de isótopos de plutonio, una partícula era diferente. Contenía una mayor cantidad de un isótopo de plutonio específico y una mezcla diferente de neptunio, lo que sugería que provenía de una fuente o proceso ligeramente distinto al de las demás. Si estas partículas se hubieran mezclado y disuelto como una sola muestra de masa, esta partícula única se habría promediado, y su firma distintiva se habría perdido. Del mismo modo, cuando analizaron las secciones recortadas del papel de filtro, descubrieron que la composición isotópica del uranio variaba de un punto a otro. Algunos puntos apenas contenían uranio, mientras que otros tenían cantidades significativas, y la proporción de isótopos de uranio cambiaba entre las diferentes muestras. Esta variación sugería que las partículas en el filtro no eran uniformes, probablemente debido a diferentes actividades de procesamiento en el área donde se recogió la muestra.

Los investigadores también demostraron que este enfoque a microescala puede ser rápido. Mientras que la disolución de una gran muestra de masa puede tardar entre doce y veinticuatro horas o más, dependiendo de su tamaño y composición, su proceso de microanálisis dirigido puede completarse en cuestión de horas para un pequeño conjunto de muestras. El equipo integró pasos automatizados, desde la disolución robótica hasta la separación química, para minimizar la manipulación humana y acelerar el cronograma. También desarrollaron modelos informáticos para predecir los mejores pasos químicos a seguir basándose en datos preliminares, con el objetivo de eliminar pasos innecesarios y reducir aún más el tiempo necesario para obtener resultados. Además, utilizaron algoritmos de aprendizaje automático para identificar automáticamente los elementos radiactivos de las muestras mediante el análisis de las firmas de energía de la radiación, una tarea que normalmente requiere que un experto humano revise gráficos complejos.

Este trabajo no reemplaza los métodos tradicionales y robustos utilizados en la forense nuclear, sino que ofrece una vía complementaria para un análisis inicial rápido. Al centrarse en la microescala, los investigadores pueden identificar rápidamente las partículas más importantes y obtener datos preliminares sobre las proporciones isotópicas y los productos de fisión sin tener que esperar a que se procese toda la muestra de masa. El estudio confirma que los escombros nucleares son heterogéneos, lo que significa que están compuestos por partes diversas con historias diferentes, y que observar estas partes individualmente proporciona una imagen más clara del evento. El equipo planea seguir perfeccionando estos métodos, probándolos en muestras ambientales más complejas e integrando las herramientas de toma de decisiones automatizadas para crear un sistema completamente optimizado para futuras investigaciones forenses nucleares.