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

Quando um dispositivo nuclear é detonado ou quando material nuclear ilícito é interceptado, o entulho resultante é uma mistura caótica de metal derretido, solo e partículas radioativas. Para entender o que aconteceu, de onde veio e quem o fez, os cientistas devem analisar esse entulho. Este campo, conhecido como ciência forense nuclear, baseia-se na medição dos tipos específicos de átomos dentro do material. Os métodos tradicionais envolvem pegar um grande pedaço da amostra, dissolvê-lo inteiramente em ácido e passá-lo por uma série de banhos químicos para separar os elementos. Embora essa abordagem seja confiável, ela é lenta e trata toda a amostra como uma substância única e uniforme. O problema é que o entulho nuclear raramente é uniforme; é uma coleção de partículas individuais, cada uma potencialmente guardando uma história diferente sobre o evento que as criou. Se um cientista dissolver toda a amostra de uma vez, essas diferenças únicas são perdidas, misturadas em uma média única que esconde a verdade.

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Pacific Northwest desenvolveu uma nova maneira de olhar para este problema, que se concentra nas partículas individuais em vez de todo o monte. Em vez de dissolver tudo imediatamente, seu novo processo atua como um holofote de alta tecnologia, escaneando uma amostra para encontrar as pepitas radioativas específicas que mais importam. Uma vez localizados esses "pontos quentes", os cientistas extraem apenas essas minúsculas partículas, dissolvem-nas em uma gota de líquido e as analisam separadamente. Essa abordagem permite que vejam as impressões digitais químicas distintas de partículas individuais, revelando variações que seriam invisíveis em uma análise de massa padrão. Ao focar apenas nas peças mais interessantes e usar sistemas automatizados para lidar com as quantidades minúsculas de líquido, a equipe criou um caminho que pode fornecer respostas críticas muito mais rápido do que os métodos atuais permitem.

Os pesquisadores testaram este novo fluxo de trabalho usando dois tipos diferentes de entulho nuclear simulado. No primeiro teste, usaram partículas de cerca de um milímetro de diâmetro, aproximadamente o tamanho de um grão de areia, que continham plutônio de grau de armas e produtos de fissão. No segundo, usaram partículas muito menores, cerca de cinquenta micrômetros de diâmetro, espalhadas por um papel de filtro. A primeira etapa do processo deles foi encontrar essas partículas. Eles usaram um sistema de imagem especializado chamado detector de imagem quântica de radiação ionizante, que atua como uma câmera sensível à radiação. Este dispositivo tirou uma foto da amostra, mostrando exatamente onde as partículas radioativas estavam localizadas. Para as partículas maiores, o sistema as identificou claramente contra um fundo vazio. Para as partículas menores no filtro, o sistema mapeou seis áreas de interesse específicas, distinguindo entre pontos com alta radiação e pontos apenas com níveis de fundo.

Uma vez identificadas as localizações, a equipe passou para a fase de extração. Para as partículas maiores, eles as recolheram fisicamente e as colocaram em um pequeno disco metálico. Para as partículas menores no filtro, usaram um pequeno furador para recortar as seções específicas do papel que continham a radiação. Essas amostras minúsculas foram então dissolvidas usando um manipulador de líquidos robótico que adicionou quantidades precisas de ácido e calor. O objetivo era colocar as partículas sólidas em forma líquida usando a menor quantidade possível de reagentes. Após a dissolução, o líquido passou por colunas feitas sob medida e impressas em 3D que atuavam como filtros químicos minúsculos. Essas colunas separaram os diferentes elementos, isolando o urânio, o plutônio e o neptúnio do restante do entulho. Finalmente, os líquidos purificados foram alimentados diretamente em um espectrômetro de massa, uma máquina que pesa átomos para determinar exatamente quais isótopos estavam presentes e em quais quantidades.

Os resultados desses experimentos mostraram que o novo método funciona e, mais importante, que revela detalhes que o método antigo perderia. Quando a equipe analisou as partículas grandes individuais, descobriu que, embora a maioria tivesse proporções semelhantes de isótopos de plutônio, uma partícula era diferente. Ela continha uma quantidade maior de um isótopo específico de plutônio e uma mistura diferente de neptúnio, sugerindo que veio de uma fonte ou processo ligeiramente diferente dos outros. Se essas partículas tivessem sido misturadas e dissolvidas como uma única amostra de massa, essa partícula única teria sido diluída pela média, e sua assinatura distinta teria sido perdida. Da mesma forma, quando analisaram as seções recortadas do papel de filtro, descobriram que a composição isotópica do urânio variava de um ponto para outro. Alguns pontos continham quase nenhum urânio, enquanto outros tinham quantidades significativas, e a proporção de isótopos de urânio mudava entre as diferentes amostras. Essa variação sugeriu que as partículas no filtro não eram uniformes, provavelmente devido a diferentes atividades de processamento na área onde a amostra foi coletada.

Os pesquisadores também demonstraram que esta abordagem em microescala pode ser rápida. Enquanto a dissolução de uma grande amostra de massa pode levar de doze a vinte e quatro horas ou mais, dependendo de seu tamanho e composição, o processo de microanálise direcionada da equipe pode ser concluído em questão de horas para um pequeno conjunto de amostras. A equipe integrou etapas automatizadas, desde a dissolução robótica até a separação química, para minimizar o manuseio humano e acelerar o cronograma. Eles também desenvolveram modelos computacionais para prever as melhores etapas químicas a serem tomadas com base em dados iniciais, visando remover etapas desnecessárias e reduzir ainda mais o tempo necessário para obter resultados. Além disso, utilizaram algoritmos de aprendizado de máquina para identificar automaticamente os elementos radioativos nas amostras ao analisar as assinaturas de energia da radiação, uma tarefa que normalmente exige um especialista humano para revisar gráficos complexos.

Este trabalho não substitui os métodos tradicionais e robustos usados na ciência forense nuclear, mas oferece um caminho complementar para uma análise inicial rápida. Ao focar na microescala, os pesquisadores podem identificar rapidamente as partículas mais importantes e obter dados preliminares sobre proporções isotópicas e produtos de fissão sem esperar pelo processamento de toda a amostra de massa. O estudo confirma que o entulho nuclear é heterogêneo, o que significa que é feito de partes diversas com histórias diferentes, e que observar essas partes individualmente fornece uma imagem mais clara do evento. A equipe planeja continuar refinando esses métodos, testando-os em amostras ambientais mais complexas e integrando as ferramentas de tomada de decisão automatizadas para criar um sistema totalmente otimizado para futuras investigações forenses nucleares.