Идентификация ядерных материалов методами ядерной криминалистики

Доклад
(наименование работы)
Идентификация ядерных материалов методами ядерной
криминалистики
(тема работы)

Содержание
TOC \o "1-3" \h \z \u Цели и задачи PAGEREF _Toc405069787 \h 3Глоссарий PAGEREF _Toc405069788 \h 4Введение PAGEREF _Toc405069789 \h 51 Теоретическая часть PAGEREF _Toc405069790 \h 62 Исследовательская часть PAGEREF _Toc405069791 \h 11Заключение PAGEREF _Toc405069792 \h 14Список использованной литературы PAGEREF _Toc405069793 \h 15

Цели и задачиГлавной целью данной работы является - идентифицировать неизвестный материал, предоставленный Национальным исследовательским Томским политехническим университетом.
Задачи данной работы:
повышение уровня знаний в области ядерной криминалистики;
рассмотреть возможности ядерной криминалистики;
ознакомление с методами ядерной криминалистики;
идентификация ядерных материалов методами ядерной криминалистики.

Глоссарий«Грязная бомба» - гипотетическая разновидность оружия массового поражения (ОМП), использующая в качестве поражающего элемента ионизирующее излучение радиоактивных материалов.
Дозиметр-спектрометр - универсальное переносное устройство идентификации радионуклидов нового поколения со светодиодной стабилизацией.
Изотоп -  разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа.
МАГАТЭ - Международное агентство по атомной энергетике, международная организация для развития сотрудничества в области мирного использования атомной энергии.
Облученное ядерное топливо - извлеченные из активной зоны тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) или их группы, тепловыделяющие сборки ядерных реакторов атомных электростанций и других установок.
Оптическая микроскопия -   обеспечивающая, разрешение лучшее, чем у обычного оптического микроскопа.
Плотность дислокации - суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема.
Профилометрия - процесс измерения («снятия») профиля сечения поверхности в плоскости, перпендикулярной к ней и ориентированной в заданном направлении.
Рентгено-флуоресцентный анализ - один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, то есть его элементного анализа.
ТВЭЛ -  главный конструктивный элемент активной зоны гетерогенного ядерного реактора, содержащий ядерное топливо.
Уран высокого обогащения - уран, в котором процентное содержание изотопа урана-235 выше, чем в природном уране.
Фотонное излучение - оно же гамма, оно же рентгеновское, оно же тормозное, оно же характеристическое излучение.
Электронная микроскопия - это метод исследования структур, находящихся вне пределов видимости светового микроскопа и имеющих размеры менее одного микрона.
Ядерная криминалистика представляет собой анализ ядерных материалов с целью получения информации о его происхождении, а также способов производства и использования.
Ядерные материалы - материалы, содержащие или способные воспроизвести делящиеся (расщепляющиеся) ядерные вещества.
Ядерный реактор - это энергетическое устройство, в котором осуществляется контролируемая цепная реакция деления ядер делящегося материала и отвод получаемой тепловой энергии.
ВведениеЯдерная контрабанда является одним из значимых вопросов международной безопасности, поскольку опасность неправомерного применения ядерных материалов представляет угрозу для всего международного сообщества. В широком смысле под ядерной контрабандой понимается незаконный оборот ядерных материалов и радиоактивных веществ, а также радиационных источников. Угроза ядерного терроризма в последнее время все чаще обсуждается на международном уровне.
Проблеме незаконного оборота ядерных материалов и радиоактивных веществ начали уделять повышенное внимание в 1990-х годах, в связи с выявлением случаев ядерной контрабанды. При этом возникал ряд вопросов, связанных с идентификацией, назначением, степенью опасности, происхождением и путями транспортировки задержанных материалов. Ответы на данные вопросы могла дать только специализированная экспертиза, поэтому службы, отвечающие за расследования случаев ядерной контрабанды, прибегали к помощи различных научно-исследовательских институтов и предприятий, оснащенных необходимым оборудованием для проведения подобных исследований. Так постепенно развивалось новое направление исследований - ядерная криминалистика [1].
Все выше сказанное раскрывает актуальность и значимость данной работы.

1 Теоретическая частьСовременное состояние ядерной криминалистики определяется, прежде всего, техническими возможностями и накопленным опытом ведущих стран в этой сфере, а также поддержкой этими странами соответствующих исследований.
Согласно данным МАГАТЭ в период с 1993-2012 годах произошло 419 инцидентов (рисунок 1), связанных с незаконным владением, перемещением или попыткой продажи ядерных и других радиоактивных материалов, 16 из которых были связаны с ураном высокого обогащения и плутонием [2].

Рисунок 1. Количество инцидентов, связанных с незаконным оборотом ядерных и других радиоактивных материалов в 1993-2012 годах
Ядерная криминалистика представляет собой анализ ядерных материалов с целью получения информации о его происхождении, а также способов производства и использования. Выбор правильного набора и последовательности методов исследования ядерных материалов является одним из важнейших факторов, который позволяет специалистам решать поставленные перед ними задачи.
Процесс анализа изъятых из незаконного оборота ядерных материалов можно разделить на три этапа (рисунок 2).
На первом этапе определяется элементный состав образца. Кроме того проводится изотопный анализ интересующих элементов, а также анализ частиц образца. В итоге специалисты получают информацию, необходимую на последующих стадиях экспертизы. Данный этап называется характеризация.
На следующем этапе полученная информация сопоставляется с известной информацией, которая может быть связана с теми или иными особенностями происхождения и производства ядерных материалов, то есть происходит интерпретация данных, которые были получены в ходе характеризации.
На заключительном этапе делается вывод о происхождении образца, способов обращения с ним, а также на каком этапе над ним был утерян контроль. Этот этап называется атрибуция.
Характеризация


Интерпретация


Атрибуция
Рисунок 2. Этапы ядерной криминалистики
В настоящее время существует ряд специальных методов идентификации и определения состава ядерных материалов, которые можно разделить на две основные группы:
разрушающие методы;
неразрушающие методы.
К разрушающим методам идентификации и определения состава ядерных материалов относятся:
гравиметрические методы;
титриметрические методы;
кулонометрические методы;
спектрофотометрические методы;
методы с изотопным разбавлением;
масс-спектрометрические методы.
Разрушающие методы используются в технологических процессах радиохимических производств, а также в качестве арбитражных и контрольных методов.
При надзоре за состоянием учета и контроля ядерных материалов данные методы могут применяться для определения точного количества и изотопного состава урана, плутония, тория, америция, нептуния, в пробах неучтенных ядерных материалов неизвестного состава, а также при расследованиях, проводимых в случаях обнаружения в результате инспекций каких-либо аномалий в учете ядерных материалов, или в иных других случаях.
К неразрушающим методам идентификации и определения состава ядерных материалов относятся:
методы, основанные на регистрации собственного гамма-, рентгеновского, альфа- или нейтронного излучения ядерных материалов;
методы, основанные на регистрации гамма-, рентгеновского, альфа- или нейтронного излучения ядерных материалов, вызванного воздействием излучения от внешнего источника.
Неразрушающие методы используются в системе управления технологическим процессом и обеспечения ядерной безопасности, а также для контроля готовой продукции радиохимических производств и производств по изготовлению ядерного топлива для атомных станций.
Имея дело как с задержанными, так и образцовыми ядерными материалами, за последние 10 лет ядерная криминалистика достигла определенных успехов в установлении происхождения материалов. Были разработаны различные методики и техники экспертизы с привлечением различного оборудования и программных вычислений. Наиболее значимые из них: определение типа реактора по ядерному материалу; определение «возраста» ядерного материала; микроскопические «отпечатки»; геолокация.
Определение типа реактора. Зная определенные характеристики ядерного материала, можно утверждать, является ли он ядерным топливом или продуктом его переработки после облучения в реакторе. При этом устанавливаются параметры, позволяющие соотнести данный материал с каким-либо типом реактора, а также определить по возможности его физические характеристики. Здесь стоит рассмотреть два случая: когда ядерный материал представляет собой топливную таблетку и когда он является продуктом переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ).
В первом случае важными определяемыми характеристиками являются линейные размеры топливной таблетки, микроструктура поверхности, обогащение по 235U и примеси [3]. Линейные размеры и геометрия таблеток позволяют определить параметры тепловыделяющего элемента, а в ряде случаев непосредственно указать на тип реактора. Также тип реактора можно определить, зная обогащение таблетки. Хорошие результаты по анализу обогащения дает гамма- спектрометрия. Поверхностная микроструктура (измеряемая профилометрией) указывает на способ, которым были произведены топливные таблетки (так называемые «сухой» и «мокрый»), а также является уникальным показателем производителя топлива, поскольку последний при контроле качества таблеток этим же способом измеряет поверхностную микроструктуру. Аналогично знание состава и количественных характеристик примесей позволяет идентифицировать изготовителя, поскольку исходные материалы у производителей разные, а значения примесей могут быть подчинены определенному стандарту. Для качественного определения примесей может использоваться рентгено-флуоресцентный анализ, а для точного количественного определения интересующих элементов - различные виды масс-спектрометрии.
Для определения типа реактора, отработавшее ядерное топливо которого было использовано для выделения плутония, применяют специально разработанные программные коды, на основе которых строятся зависимости между соотношениями изотопов плутония. Известно, что в процессе облучения содержащегося в топливе урана в результате нейтронного захвата получается ряд изотопов плутония: от 238-го до 242-го. Для точного измерения содержания каждого изотопа плутония применяют различные методы масс-спектрометрии. Полученные данные используются для определения исходных и рабочих характеристик реактора. Поскольку 238Рu является основным продуктом нейтронного захвата урана, его содержание в переработанном топливе позволяет определить начальное обогащение топлива по 235U. В дополнение к этому соотношение изотопов 242Pu/240Pu характеризует «жесткость нейтронного спектра». С помощью ряда программных кодов практически для каждого типа энергетических реакторов можно просчитать изотопные соотношения и представить их в виде графиков, у которых, например, на оси абсцисс отложено соотношение 238Pu/Pu (240Pu/239Pu), на оси ординат - соотношение 242Pu/240Pu (242Pu/238Pu). В результате каждая кривая на этих графиках соответствует определенному типу реактора [4].
Определение «возраста». Одной из важных характеристик для установления происхождения ядерного материала является его «возраст», т.е. время с момента его изготовления или последнего процесса очистки. Зная «возраст» материала, можно вычислить дату его производства с различной точностью и тем самым исключить места происхождения, явно не попадающие под этот критерий. Основным способом определения «возраста» является вычисление соотношения родительских и дочерних изотопов в материале. Для урана и плутония существует свой набор таких изотопов и, соответственно, методы определения «возраста» слегка разнятся.
Задача определения возраста урана осложняется рядом причин. Во-первых, ядерные материалы имеют достаточно малую «историю», самые ранние образцы насчитывают не более 60 лет. Этот факт в связи с очень большими периодами полураспада изотопов урана (до 7·1010 лет) усложняет точность определения отношения родительских изотопов к дочерним. Во-вторых, не все возможные соотношения изотопов технически подходят для точного вычисления возраста. Для высокообогащенного урана такими соотношениями являются: 234U/230Th, 235U/ 231Ра и 236U/232Th. Из данного ряда наиболее подходящим соотношением является 234U/230Th [5].
Микроскопические «отпечатки». В экспертизе неизвестных образцов ядерных материалов ключевую роль играет анализ изотопного состава, или так называемые изотопные «отпечатки» урана или плутония. Однако в ряде случаев точное определение изотопного состава может быть осложнено, либо исследуемый образец может представлять собой смесь материалов различного происхождения. Для точной идентификации таких образцов используют концепцию микроскопических «отпечатков», суть которой состоит в том, что определяемые при помощи оптической и электронной микроскопии микрохарактеристики по определенным критериям сравниваются с аналогичными характеристиками уже известных или подозреваемых как возможный источник образцов. Даже при отсутствии образцов для сравнения можно получить полезную информацию, используя методы материаловедения. Например, характер и плотность дислокаций могут свидетельствовать о величине деформации при производстве, а размерное распределение микрозерен характеризует температуру и степень реакции в производственном процессе.
Геолокация. В ряде случаев существенную помощь в установлении происхождения ядерных материалов может дать знание о географическом регионе, где данный материал мог быть произведен. Для этих целей активно используются методы геолокации. В настоящее время в ядерной криминалистике географическое происхождение образцов (в зависимости от их формы) определяют тремя способами:
по соотношению изотопов кислорода в соединении n(18O)/n(16O), которое варьируется в зависимости от географического региона и климатических условий;
по соотношению изотопов свинца n(208Pb)/n(206Pb), которое аналогично кислороду географически варьируется;
по наличию и количественному составу примесей и сравнению их с информацией по примесям различных урановых (ториевых) месторождений.


2 Исследовательская частьВ научно - исследовательской лаборатории криминалистики г. Томск, ведутся работы в сфере ядерной криминалистики. Целью одной из работ было идентифицировать неизвестный материал, предоставленный Национальным исследовательским Томским политехническим университетом. Объект исследования представлял собой 5 металлических трубок одинакового размера. Длина равна 1617 мм, диаметр равен 9,2 мм и толщина стенок равна 0,7 мм. Трубки пронумерованы сквозной нумерацией, которые использовались в качестве уникального идентификационного номера образцов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: определение наличия радиоактивного материала в образцах, определение характеристик радиоактивного материала.
Для поиска радиоактивного материала в образцах использовался многоцелевой дозиметр-спектрометр Inspector 1000, который используется в полевых условиях для измерения дозы и скорости счета, идентификации нуклидов и измерения активности, а также для набора и анализа спектров.
Дозиметр-спектрометр Inspector 1000 работает в таких режимах, как:
измерение и отображение дозы и мощности дозы;
поиск радиационных источников;
идентификация нуклидов;
набор и анализ спектров.
Поиск радиоактивного материала проводился в режиме измерения мощности дозы фотонного излучения. На основании полученных данных было установлено, что в четырех из пяти образцов имеется источник излучения расположенный на расстоянии (777÷837) мм от конца трубки (рисунок 3, 4).

Рисунок 3. Результаты радиационного анализа имитаторов ТВЭЛов
По весовым и дозиметрическим характеристикам можно было сделать вывод, что образцы были изготовлены с использованием одинаковых по составу и содержанию источников излучения. Для идентификации характеристики излучателей было решено распилить образец № 5, откуда было извлечено 11 таблеток с центральными отверстиями, 9 из которых были разрушены. Разрушение таблеток свидетельствует о хрупкости материала, использованного для их изготовления.

Рисунок 4. Результаты радиационного анализа имитаторов ТВЭЛов
Исходя из оценки плотности, учитывая хрупкость материала и изотопный состав его излучателей, было сделано заключение, что таблетки изготовлены из двуокиси урана (теоретическая плотность UО2 = 10,96 г/см3).
Для определения обогащения урана в образцах использовался U-Pu Inspector и специализированное программное обеспечение MGA-U. Результаты анализа отдельной таблетки приведены на рисунке 5. Во всех измерениях определенное значение обогащения урана в образцах составило ~ 2 %.

Рисунок 5. Отчет по определению обогащения урана в таблетке

ЗаключениеВ результате проделанных работ были сделаны следующие выводы:
объекты, переданные для исследования, содержат таблетки двуокиси урана 2 % обогащения;
как сами таблетки, так и трубки их содержащие могут использоваться в лаборатории для изготовления закрытых источников ионизирующего излучения;
так же с помощью этих таблеток и трубок могут быть выполнены научно-исследовательские и лабораторные работы.
Традиционная криминалистическая экспертиза является важной составляющей в установлении происхождения задержанных ядерных материалов. Зачастую ядерные и традиционные улики перемешаны, а поэтому целесообразно проводить обе экспертизы в одной лаборатории. Для экспертизы образцов пыли, причастных материалов, контейнеров, упаковок и т.д. подходит то же оборудование, что и для анализа ядерных материалов. Все это создает пространство для более тесного сотрудничества между ядерными криминалистами и органами, расследующими определенный случай.
К настоящему времени ядерная криминалистика достигла определенных успехов в области судебной экспертизы ядерных материалов в различных формах. Несмотря на то, что незаконный оборот ядерных материалов - явление довольно редкое (с 1992 по 2007 год зафиксировано всего 18 случаев контрабанды высокообогащенного урана и плутония), нелегальный провоз зараженных материалов и радиоактивных источников все же происходит. Кроме того, методы ядерной криминалистики активно используются для целей Гарантий МАГАТЭ при анализе проб с ядерных установок и поиске «улик» переключения ядерного материала или незаконного его производства. Также дополнительно изучаются возможности судебной экспертизы радиоактивных остатков после гипотетического применения террористического ядерного взрывного устройства или «грязной бомбы» с целью определения происхождения ядерного материала, используемого в начинке. Данные задачи требуют дальнейшего совершенствования технической составляющей, баз данных и международного сотрудничества.
Используя весь свой потенциал, ядерная криминалистика успешно вписывается в рамки обеспечения национальной и международной ядерной безопасности как его составляющая. Возможность определения источника ядерного материала и, как следствие, всей цепочки незаконного оборота может оказать определенный эффект сдерживания на тех, кто пытается его незаконно заполучить.

Список использованной литературыMayer К., Wallenius M., Fanghannel Т. Nuclear Forensic Science - from Cradle to Maturity// Journal of Alloys and Compounds. 2007. № 444-445. с 50-56;
Incident and Trafficking Database // IAEA official website. URL: http://www-ns.iaea.org/security/itdb.asp;
Pajo L. UО2 Pellet Impurities, Pellet Surface Roughness and n(18О)/n(16О) Ratios Applied to Nuclear Forensic Science // The National Library of Finland. URL: https://oa.doria.fi/bitstream/handle/10024/2797/uo2fuelp.pdf?sequence=l access date: 15.01.2010);
Wallenius M. Origin Determination of Reactor Produced Plutonium by Mass-spectrometric Techniques: Application to Nuclear Forensic Science and Safeguards //The National Library of Finland. [2001]. URL: https://oa.doria.fi/bitstream/handle/10024/2745/originde.pdf?sequence=1 (access date: 07.02.2010);
Wallenius M. et al. Age Determination of Highly Enriched Uranium // IAEA. [2007]. URL: http://wwwpub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/ss-200l/ PDF%20files/Session %205/Paper%205-07.pdf (access date: 17.02.2010);
Актуальные вопросы ядерной безопасности - Томск: Изд. «Иван Фёдоров», 2010. - 160 с;
Moody, К. et al„ Nuclear Forensics analysis, Taylor & Francis, 2005;
http://www.nrc.gov/security/domestic/rnca.htinl;
Reilly D., Ensslin N. and Smith H.Jr. Passive Nondestructive Assay of Nuclear Materials;
Каталог приборов учета и контроля ядерных материалов. Третье издание. Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики (ВНИИА). Брукхэвенская национальная лаборатория (БНЛ)-Департамент энергетики, 2009 г.