Forense nuclear

La ciencia forense nuclear es la investigación de materiales nucleares para encontrar evidencias de su origen, tráfico y enriquecimiento. El material puede recuperarse de diversas fuentes, incluido el polvo de las inmediaciones de una instalación nuclear o de los desechos radiactivos después de una explosión nuclear . ^{[1] [2]}

Diferentes organizaciones utilizan los resultados de las pruebas forenses nucleares para tomar decisiones. La información suele combinarse con otras fuentes de información, como la información policial y de inteligencia . ^{[2] [3]}

Las primeras incautaciones de material nuclear o radiactivo se registraron en Suiza e Italia en 1991. Posteriormente, se registraron incidentes relacionados con material nuclear en Alemania, la República Checa, Hungría y otros países de Europa central. La ciencia forense nuclear se convirtió en una nueva rama de la investigación científica con la intención de determinar no solo la naturaleza del material, sino también el uso previsto del material incautado, así como su origen y las posibles rutas de tráfico. La ciencia forense nuclear se basa en la realización de estas determinaciones mediante parámetros mensurables que incluyen, entre otros, impurezas químicas, composición isotópica, apariencia microscópica y microestructura. Al medir estos parámetros, se pueden extraer conclusiones sobre el origen del material. La identificación de estos parámetros es un área de investigación en curso, sin embargo, la interpretación de los datos también depende de la disponibilidad de información de referencia y del conocimiento de las operaciones de las pilas de combustible.

Las primeras mediciones radioquímicas de investigación comenzaron en los primeros días de la fisión nuclear. En 1944, la Fuerza Aérea de los EE. UU. hizo los primeros intentos de detectar ^{133 Xe} fisiógeno en la atmósfera con el fin de indicar la producción de plutonio a través de la irradiación de uranio y el reprocesamiento químico en un esfuerzo por reunir inteligencia sobre el estado del programa nuclear alemán . Sin embargo, no se detectó ¹³³ Xe. En los años siguientes se volvió cada vez más valioso reunir información sobre el programa de armas nucleares soviético , lo que resultó en el desarrollo de tecnologías que podían reunir partículas en el aire en un avión de reconocimiento meteorológico WB-29 . El 3 de septiembre de 1949, estas partículas se utilizaron para determinar el tiempo de detonación de la primera prueba atómica soviética, " Joe 1 ". ^{[4] [5]} Un análisis posterior reveló que esta bomba era una réplica de la " Fat Man ", que fue la bomba lanzada sobre Nagasaki en 1945. Esta metodología de investigación combinó la radioquímica y otras técnicas para reunir inteligencia sobre las actividades nucleares.

Las primeras incautaciones de material nuclear procedente del tráfico a principios de los años 1990 permitieron que la metodología forense nuclear fuera adoptada por una comunidad científica más amplia. Cuando los laboratorios científicos ajenos a la comunidad de armas e inteligencia se interesaron por esta metodología fue cuando se acuñó el término "investigación forense nuclear". A diferencia de la investigación forense estándar, la investigación forense nuclear se centra principalmente en el material nuclear o radiactivo y tiene como objetivo proporcionar conocimiento sobre el uso previsto de los materiales. ^[6]

En 1994, en el aeropuerto de Múnich, en un avión procedente de Moscú, se interceptaron 560 gramos de óxido de plutonio y uranio . ^[4] La composición exacta era de 363 gramos de plutonio (de los cuales el 87% era plutonio-239 ) y 122 gramos de uranio. ^[4] Más tarde, a través de una investigación parlamentaria alemana, se supo que la compra había sido organizada y financiada por el Servicio Federal de Inteligencia alemán . ^[7]

Jay A. Tilden, funcionario del Departamento de Energía de Estados Unidos, ha abogado por el uso de la ciencia forense nuclear para asignar responsabilidad o resolver ambigüedades sobre “eventos nucleares no atribuidos”, como accidentes en instalaciones nucleares, accidentes con armas nucleares en áreas geográficas denegadas, detonaciones nucleares accidentales, el uso limitado de armas nucleares y la posterior negación de responsabilidad por parte del perpetrador, e intentos de culpar a actores no estatales de un ataque nuclear clandestino. ^[8] Un ejemplo de un evento nuclear no atribuido fue la liberación no atribuida en septiembre de 2017 del radioisótopo rutenio en Europa central y oriental y Asia. ^[9]

Determinar la edad de un material nuclear es fundamental para las investigaciones forenses nucleares. Se pueden utilizar técnicas de datación para identificar la fuente de un material, así como los procedimientos realizados en el material. Esto puede ayudar a determinar la información sobre el posible participante en la "edad" del material de interés. Los nucleidos , relacionados a través de procesos de desintegración radiactiva, tendrán concentraciones relativas en la muestra que se pueden predecir utilizando ecuaciones de crecimiento interno padre-hijo y vidas medias relevantes. Debido a que los isótopos radiactivos se desintegran a una velocidad determinada por la cantidad del isótopo en una muestra y la vida media del isótopo original, la cantidad relativa de los productos de desintegración en comparación con los isótopos originales se puede utilizar para determinar la "edad". Los nucleidos de elementos pesados ​​tienen una relación 4n+2, donde el número de masa dividido por 4 deja un resto de dos. La red de desintegración comienza con ²³⁸ Pu y continúa a través del crecimiento interno de ²³⁴ U, ²³⁰ Th y ²²⁶ Ra de larga duración. Si se purifica cualquier miembro de la cadena de desintegración 4n+2, comenzará inmediatamente a producir especies descendientes. El tiempo transcurrido desde la última purificación de una muestra se puede calcular a partir de la relación de dos concentraciones cualesquiera entre los nucleidos en desintegración.

Básicamente, si un material nuclear se ha sometido a un proceso de refinamiento para eliminar las especies hijas, el tiempo transcurrido desde la purificación se puede "recalcular" utilizando técnicas de separación radioquímica junto con la medición analítica de las relaciones padre-hija existentes. Por ejemplo, la desintegración α de ²³⁹ Pu a ²³⁵ U se puede utilizar como un ejemplo de este procedimiento. Con la suposición de un tiempo de purificación perfecto T ₀ , habrá una relación lineal entre el crecimiento interno de ²³⁵ U y el tiempo transcurrido desde la purificación. Sin embargo, hay varios casos en los que la correlación no es tan clara. Esta estrategia puede no ser aplicable cuando el par padre-hija alcanza el equilibrio secular muy rápidamente o cuando la vida media del nucleido hijo es significativamente más corta que el tiempo transcurrido desde la purificación del material nuclear, por ejemplo ²³⁷ Np/ ²³³ Pa. Otra posible complicación es si en muestras ambientales, el transporte de metales/iones no equivalentes para padres e hijas puede complicar o invalidar el uso de mediciones cronométricas. Existen relaciones especiales de datación por edad, incluidos los cronómetros comúnmente empleados ²³⁴ U/ ²³⁰ Th y ²⁴¹ Pu/ ²⁴¹ Am. En circunstancias especiales, las relaciones padre-nieta se pueden utilizar para dilucidar la edad de los materiales nucleares cuando el material se hace parecer intencionalmente más antiguo mediante la adición de nucleidos hijos.

La cronometría se basa en el concepto de que la composición del material nuclear cambia a medida que se preparan y analizan las muestras. Esta barrera puede ser importante para las especies que se desintegran rápidamente o cuyos productos derivados generan interferencias espectrales. La desintegración del ²³³ U, por ejemplo, tiene un tiempo de desintegración de _1/2 ~1,6x10 ⁵ años, lo que es rápido en comparación con muchas especies y produce ²²⁹ Th, que emite una partícula α que es isoenergética, con la misma energía que la progenitora. Para evitar esto, se utilizan muestras recién preparadas, así como métodos de análisis complementarios para una caracterización confiable de los materiales nucleares. La desintegración de las muestras nucleares hace que los métodos de análisis rápidos sean muy deseables. ^[10]

Las técnicas de separación química se utilizan con frecuencia en la investigación forense nuclear como método para reducir las interferencias y facilitar la medición de radionucleidos de bajo nivel. La purificación que se produce rápidamente, a medida que la progenie comienza a crecer hacia el interior, es ideal.

Los métodos de separación por intercambio aniónico se utilizan ampliamente en la purificación de actínidos y materiales que los contienen mediante el uso de columnas de resina. Los complejos de actínidos aniónicos son retenidos por sitios de intercambio aniónico que se encuentran en la resina y las especies neutras pasan a través de la columna sin ser retenidas. Luego, las especies retenidas se pueden eluir de la columna mediante la conversión a un complejo neutro, generalmente cambiando la fase móvil que pasa a través del lecho de resina. Las separaciones de actínidos basadas en el intercambio aniónico, si bien se valoran por su simplicidad y se utilizan ampliamente, tienden a requerir mucho tiempo y rara vez se automatizan. La mayoría aún dependen de la gravedad. Acelerar el flujo de la fase móvil tiende a introducir problemas como impurezas y poner en peligro futuras investigaciones. Por lo tanto, todavía existe la necesidad de desarrollar esta técnica para satisfacer las prioridades de la investigación forense nuclear.

El aislamiento de actínidos por coprecipitación se utiliza con frecuencia para muestras de volúmenes relativamente grandes con el fin de concentrar analitos y eliminar interferencias. Los portadores de actínidos incluyen hidróxidos de hierro , fluoruros/hidróxidos de lantánidos, dióxido de manganeso y algunas otras especies.

En la investigación forense nuclear se emplea una amplia gama de técnicas instrumentales. Las técnicas de conteo radiométrico son útiles para determinar los productos de desintegración de especies con vidas medias cortas. Sin embargo, para vidas medias más largas, la espectrometría de masas inorgánica es un medio poderoso para realizar análisis elementales y determinar relaciones isotópicas. Los métodos de microscopía también pueden ser útiles para caracterizar un material nuclear.

Las técnicas de conteo de α, β, γ o neutrones se pueden utilizar como enfoques para el análisis de materiales forenses nucleares que emiten especies de desintegración. Las más comunes de ellas son la espectroscopia alfa y gamma. El conteo β se utiliza con poca frecuencia porque la mayoría de los emisores β de vida corta también emiten rayos γ característicos y producen picos de conteo muy amplios. El conteo de neutrones se encuentra con menos frecuencia en los laboratorios analíticos debido en parte a las preocupaciones por el blindaje en caso de que dichos emisores de neutrones se introduzcan en una instalación de conteo.

La espectroscopia de partículas alfa es un método de medición de radionucleidos basado en la emisión de partículas α . Se pueden medir mediante una variedad de detectores, incluidos los contadores de centelleo líquido, los detectores de ionización de gas y los detectores de semiconductores de silicio con implantación de iones. Los espectrómetros de partículas alfa típicos tienen fondos bajos y miden partículas que van de 3 a 10 MeV. Los radionucleidos que se desintegran mediante emisión α tienden a expulsar partículas α con energías características discretas de entre 4 y 6 MeV. Estas energías se atenúan a medida que pasan a través de las capas de muestra. Aumentar la distancia entre la fuente y el detector puede conducir a una mejor resolución, pero a una menor detección de partículas.

Las ventajas de la espectroscopia de partículas alfa incluyen costos de equipo relativamente económicos, bajos fondos, alta selectividad y buenas capacidades de rendimiento con el uso de sistemas de múltiples cámaras. También existen desventajas de la espectroscopia de partículas alfa. Una desventaja es que debe haber una preparación significativa de la muestra para obtener fuentes espectroscópicas útiles. Además, las interferencias espectrales o los artefactos de una preparación extensa antes del recuento, para minimizar esto se necesitan ácidos de alta pureza. Otra desventaja es que las mediciones requieren una gran cantidad de material, lo que también puede conducir a una mala resolución. Además, la superposición espectral no deseada y los tiempos de análisis prolongados son desventajas.

La espectroscopia gamma produce resultados que son conceptualmente equivalentes a la espectroscopia de partículas alfa , sin embargo, puede dar como resultado picos más nítidos debido a la atenuación reducida de la energía. Algunos radionucleidos producen rayos gamma discretos que producen energía entre unos pocos KeV a 10 MeV que se puede medir con un espectrómetro de rayos gamma . Esto se puede lograr sin destruir la muestra. El detector de rayos gamma más común es un detector de germanio semiconductor que permite una mayor resolución de energía que la espectroscopia de partículas alfa , sin embargo, la espectroscopia gamma solo tiene una eficiencia de un pequeño porcentaje. La espectroscopia gamma es un método menos sensible debido a la baja eficiencia del detector y al alto fondo. Sin embargo, la espectroscopia gamma tiene la ventaja de tener procedimientos de muestra que consumen menos tiempo y detectores portátiles para uso en campo.

Las técnicas de espectrometría de masas son esenciales en el análisis forense nuclear. La espectrometría de masas puede proporcionar información elemental e isotópica. La espectrometría de masas también requiere una menor masa de muestra en relación con las técnicas de recuento. Para fines forenses nucleares, es esencial que la espectrometría de masas ofrezca una resolución excelente para distinguir entre analitos similares, por ejemplo, ²³⁵ U y ²³⁶ U. Idealmente, la espectrometría de masas debería ofrecer una excelente resolución/abundancia de masa, bajos fondos y una función instrumental adecuada.

En la espectrometría de masas por ionización térmica , se depositan pequeñas cantidades de analito altamente purificado sobre un filamento metálico limpio. Normalmente se utilizan renio o tungsteno. La muestra se calienta en el vacío de la fuente de iones aplicando una corriente a los filamentos. Una parte del analito será ionizada por el filamento y luego se dirigirá hacia abajo por el tubo de vuelo y se separará en función de las relaciones de masa a carga. Las principales desventajas incluyen la preparación de la muestra que requiere mucho tiempo y la ionización ineficiente del analito.

Esta es una técnica que se utiliza con frecuencia en la ciencia forense nuclear. En esta técnica, una muestra purificada se nebuliza en una cámara de pulverización y luego se aspira en un plasma. La alta temperatura del plasma produce la disociación de la muestra y una alta eficiencia de ionización del analito. Luego, los iones ingresan al espectrómetro de masas donde se discriminan en función de la masa con un sistema de enfoque doble. Los iones de varias masas se detectan simultáneamente mediante un banco de detectores similar a los utilizados en la espectrometría de masas de ionización térmica. La MC-ICP-MS tiene un análisis más rápido porque no requiere una preparación prolongada del filamento. Sin embargo, para una alta calidad, existe el requisito de una limpieza exhaustiva de la muestra. El plasma de argón también es menos estable y requiere un equipo relativamente caro, así como operadores capacitados.

SIMS es una técnica microanalítica valiosa para el análisis tridimensional de la composición elemental y las proporciones isotópicas de los materiales. Este método se puede utilizar en la caracterización de materiales a granel con un límite de detección en el rango de partes por mil millones (10 ⁻⁹ o ng/g). Se pueden detectar partículas tan pequeñas como unos pocos cientos de nanómetros. ^[11] La producción de iones en esta técnica depende del bombardeo de muestras sólidas con un haz enfocado de iones primarios. Los iones secundarios pulverizados se dirigen al sistema de espectrometría de masas para ser medidos. Los iones secundarios son el resultado de la transferencia de energía cinética de los iones primarios. Estos iones primarios penetran en la muestra sólida hasta cierta profundidad. Este método se puede utilizar para detectar cualquier elemento, sin embargo, el proceso de pulverización depende en gran medida de la matriz y los rendimientos de iones varían.

Este método es especialmente útil porque se puede automatizar por completo para encontrar partículas de uranio en una muestra de muchos millones de partículas en cuestión de horas. Las partículas de interés se pueden fotografiar y analizar con mayor precisión isotópica . ^[11]

Se pueden emplear numerosos métodos adicionales para la interrogación del material nuclear incautado. A diferencia de las técnicas de análisis mencionadas anteriormente, estos métodos han recibido relativamente poca atención en los últimos años en términos de avances novedosos y, por lo general, requieren mayores cantidades de muestra.

El microscopio electrónico de barrido puede proporcionar imágenes de la superficie de un objeto a gran aumento con una resolución del orden de nanómetros. Se hace pasar un haz de electrones energéticos sobre la muestra y se detectan los electrones que se han retrodispersado o emitido desde la superficie de la muestra. Las imágenes se construyen midiendo las fluctuaciones de los electrones desde la posición de barrido del haz de la muestra. Estos datos son útiles para determinar qué proceso se ha empleado en la producción de los materiales y para distinguir entre materiales de diferentes orígenes. La medición de los electrones retrodispersados ​​permite determinar el número atómico medio del área que se está escaneando. Los electrones emitidos, o secundarios, proporcionan información topológica. Se trata de una técnica relativamente sencilla, pero las muestras deben poder estar al vacío y pueden requerir un tratamiento previo.

La fluorescencia de rayos X permite determinar de forma rápida y no destructiva la composición elemental de un material nuclear basándose en la detección de rayos X característicos . La irradiación directa de la muestra permite una preparación mínima de la misma y una instrumentación portátil para su uso en campo. El límite de detección es de 10 ppm, muy por encima de la espectrometría de masas. ^{[ cita requerida ]} Esta técnica tiende a verse obstaculizada por los efectos de la matriz, que deben corregirse.

El análisis por activación neutrónica es un método potente y no destructivo para analizar elementos de número atómico medio a alto. Este método combina la excitación por reacción nuclear y las técnicas de conteo de radiación para detectar diversos materiales. La medición de la radiación característica, una vez finalizado el bombardeo, es indicativa de los elementos de interés. La ecuación para el producto de producción viene dada por: donde es el analito de partida, es el neutrón entrante, es el producto excitado y es la radiación detectada que resulta de la desexcitación de las especies del producto.${\displaystyle A+n\to B^{*}+\gamma }$${\estilo de visualización A}$${\estilo de visualización n}$$Estilo de visualización B*$${\estilo de visualización \gamma}$

Las ventajas de esta técnica incluyen el análisis de múltiples elementos, una excelente sensibilidad y alta selectividad, y la ausencia de procedimientos de separación que consumen mucho tiempo. Una desventaja es la necesidad de un reactor nuclear para la preparación de las muestras.

La espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) se ha demostrado como una técnica para las investigaciones forenses nucleares que involucran la especiación del uranio. ^[12] Tanto los métodos analíticos de estructura fina de energía más alta (EXAFS) como los de energía más baja (XANES) pueden ser útiles para este tipo de caracterización. Por lo general, se emplea XANES para determinar el estado de oxidación del átomo de uranio absorbente, mientras que EXAFS se puede utilizar para determinar su entorno atómico local. Este método espectroscópico, cuando se combina con la difracción de rayos X (XRD), sería de mayor beneficio para las investigaciones forenses nucleares complejas que involucran especies de diferentes estados de oxidación.

El análisis objetivo del color se puede realizar utilizando imágenes digitales tomadas con una cámara digital, ya sea en el campo o en un laboratorio. Este método fue desarrollado para reemplazar los informes subjetivos de color, como las observaciones a simple vista, con valores RGB y HSV cuantitativos. El método se ha demostrado previamente en el tratamiento térmico de polvos de peróxido de uranilo, que producen tonos distintivos de amarillo a marrón. ^[13] Por lo tanto, este método se destaca como particularmente útil para determinar el historial de procesamiento térmico, especialmente cuando se producen cambios de color en compuestos de uranio de varios estados de oxidación.