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

Quando un dispositivo nucleare viene detonato o quando del materiale nucleare illecito viene intercettato, i detriti risultanti sono una miscela caotica di metallo fuso, suolo e particelle radioattive. Per capire cosa sia successo, da dove provenga e chi lo abbia fabbricato, gli scienziati devono analizzare questi detriti. Questo campo, noto come forense nucleare, si basa sulla misurazione dei tipi specifici di atomi presenti nel materiale. I metodi tradizionali prevedono il prelievo di un grosso pezzo del campione, la sua completa dissoluzione in acido e la successiva analisi attraverso una serie di bagni chimici per separare gli elementi. Sebbene questo approccio sia affidabile, è lento e tratta l'intero campione come una singola sostanza uniforme. Il problema è che i detriti nucleari sono raramente uniformi; sono una collezione di singole particelle, ognuna delle quali può custodire una storia diversa sull'evento che le ha create. Se uno scienziato scioglie l'intero campione in una volta sola, queste differenze uniche vanno perse, fondendosi in una singola media che nasconde la verità.

Un team di ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory ha sviluppato un nuovo modo per affrontare questo problema, che si concentra sulle singole particelle piuttosto che sull'intero cumulo. Invece di sciogliere tutto immediatamente, il loro nuovo processo agisce come un riflettore ad alta tecnologia, scansionando un campione per trovare le specifiche macchie radioattive che contano di più. Una volta individuati questi "punti caldi", i ricercatori estraggono solo quelle minuscole particelle, le sciolgono in una goccia di liquido e le analizzano separatamente. Questo approccio permette di vedere le distinte impronte digitali chimiche delle singole particelle, rivelando variazioni che sarebbero invisibili in un'analisi standard di massa. Puntando solo ai pezzi più interessanti e utilizzando sistemi automatizzati per gestire le minuscole quantità di liquido, il team ha creato un percorso che potrebbe fornire risposte critiche molto più velocemente rispetto agli attuali metodi.

I ricercatori hanno testato questo nuovo flusso di lavoro utilizzando due diversi tipi di detriti nucleari simulati. Nel primo test, hanno utilizzato particelle di circa un millimetro di diametro, grandi all'incirca quanto un granello di sabbia, che contenevano plutonio di grado bellico e prodotti di fissione. Nel secondo, hanno utilizzato particelle molto più piccole, di circa cinquanta micrometri di diametro, sparse su una carta da filtro. Il primo passo del loro processo è stato trovare queste particelle. Hanno utilizzato un sistema di imaging specializzato chiamato rilevatore di imaging quantistico a radiazione ionizzante, che funge da fotocamera sensibile alle radiazioni. Questo dispositivo ha scattato una foto del campione, mostrando esattamente dove si trovavano le particelle radioattive. Per le particelle più grandi, il sistema le ha identificate chiaramente su uno sfondo vuoto. Per le particelle più piccole sulla carta da filtro, il sistema ha mappato sei aree di interesse specifiche, distinguendo tra punti con alta radiazione e punti con soli livelli di fondo.

Una volta identificate le posizioni, il team è passato alla fase di estrazione. Per le particoli più grandi, le hanno prelevate fisicamente e posate su un piccolo disco metallico. Per le particelle più piccole sulla carta da filtro, hanno usato un minuscolo punzone per ritagliare le sezioni specifiche del foglio che contenevano la radiazione. Questi piccoli campioni sono stati poi sciolti utilizzando un manipolatore di liquidi robotico che ha aggiunto quantità precise di acido e calore. L'obiettivo era portare le particelle solide in forma liquida utilizzando la minima quantità possibile di reagenti. Dopo la dissoluzione, il liquido è stato fatto passare attraverso colonne realizzate con stampa 3D che agivano come minuscoli filtri chimici. Queste colonne hanno separato i diversi elementi, isolando l'uranio, il plutonio e il neptunio dagli altri detriti. Infine, i liquidi purificati sono stati immessi direttamente in uno spettrometro di massa, una macchina che pesa gli atomi per determinare esattamente quali isotopi fossero presenti e in quali quantità.

I risultati di questi esperimenti hanno dimostrato che il nuovo metodo funziona e, cosa più importante, che rivela dettagli che il vecchio metodo perderebbe. Quando il team ha analizzato le singole particelle grandi, ha scoperto che, sebbene la maggior parte avesse rapporti simili di isotopi del plutonio, una particella era diversa. Conteneva una quantità maggiore di un particolare isotopo del plutonio e una miscela diversa di neptunio, suggerendo che provenisse da una fonte o da un processo leggermente diverso rispetto alle altre. Se queste particelle fossero state mescolate e sciolte come un unico campione di massa, questa particella unica sarebbe stata mediata, e la sua firma distinta sarebbe andata perduta. Allo stesso modo, quando hanno analizzato le sezioni ritagliate della carta da filtro, hanno scoperto che la composizione isotopica dell'uranio variava da un punto all'altro. Alcuni punti contenevano quasi per nulla uranio, mentre altri ne avevano quantità significative, e il rapporto tra gli isotopi dell'uranio cambiava tra i diversi campioni. Questa variazione suggeriva che le particelle sulla carta non fossero uniformi, probabilmente a causa di diverse attività di lavorazione nell'area in cui il campione è stato raccolto.

I ricercatori hanno anche dimostrato che questo approccio su microscala può essere veloce. Mentre la dissoluzione di un grande campione di massa può richiedere dalle dodici alle ventiquattro ore o più, a seconda della dimensione e della composizione, il loro processo di micro-analisi mirata può essere completato in poche ore per un piccolo set di campioni. Il team ha integrato passaggi automatizzati, dalla dissoluzione robotica alla separazione chimica, per ridurre al minimo la manipolazione umana e accelerare la tempistica. Hanno inoltre sviluppato modelli informatici per prevedere i migliori passaggi chimici da intraprendere sulla base dei dati iniziali, con l'obiettivo di eliminare i passaggi non necessari e ridurre ulteriormente il tempo necessario per ottenere i risultati. Inoltre, hanno utilizzato algoritmi di apprendimento automatico per identificare automaticamente gli elementi radioattivi nei campioni analizzando le firme energetiche della radiazione, un compito che solitamente richiede l'intervento di un esperto umano per esaminare grafici complessi.

Questo lavoro non sostituisce i metodi tradizionali e robusti utilizzati nella forense nucleare, ma offre un percorso complementare per un'analisi iniziale rapida. Concentrandosi sulla microscala, i ricercatori possono identificare rapidamente le particelle più importanti e ottenere dati preliminari sui rapporti isotopici e sui prodotti di fissione senza attendere che l'intero campione di massa venga elaborato. Lo studio conferma che i detriti nucleari sono eterogenei, ovvero sono composti da parti diverse con storie differenti, e che osservare queste parti individualmente fornisce un quadro più chiaro dell'evento. Il team intende continuare a perfezionare questi metodi, testandoli su campioni ambientali più complessi e integrando gli strumenti di decisione automatizzata per creare un sistema completamente snello per le future indagini forensi nucleari.