Giám định hạt nhân trong bảo đảm an ninh

Khi thời đại công nghệ bức xạ và kỹ thuật hạt nhân ngày càng phát triển, đã có nhiều sự chuyển dịch căn bản trong tư duy an ninh toàn cầu. Nếu như trước thập niên 1990, mối quan tâm chính nằm ở việc kiểm soát vũ khí hạt nhân giữa các quốc gia siêu cường, thì sự sụp đổ của Liên Xô và thay đổi trật tự thế giới đã mở ra một kỷ nguyên mới với nhiều mối đe dọa liên quan đến buôn lậu vật liệu hạt nhân. Giám định hạt nhân (Nuclear Forensics) ra đời như một tất yếu trước thực trạng gia tăng các vụ việc vật liệu hạt nhân và phóng xạ nằm ngoài sự kiểm soát pháp lý. Đây không chỉ là bộ môn khoa học kỹ thuật đơn thuần, mà là một thành tố chiến lược trong hệ thống an ninh hạt nhân quốc gia. Nó đóng vai trò như một công cụ hiệu quả về khả năng truy nguyên nguồn gốc vật liệu hạt nhân.

Theo định nghĩa của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), giám định hạt nhân là “việc kiểm tra các vật liệu hạt nhân hoặc phóng xạ, hoặc bằng chứng bị nhiễm hạt nhân phóng xạ đáp ứng các quy định pháp lý quốc tế hoặc quốc gia liên quan đến an ninh hạt nhân”.  Cốt lõi của giám định hạt nhân là việc tìm kiếm và giải mã các “dấu hiệu” (signatures) – các đặc điểm đặc trưng giúp phân biệt vật liệu này với vật liệu khác. Những dấu hiệu này được hình thành từ nguồn gốc địa chất của nguyên liệu thô hoặc được “kế thừa” từ các quá trình xử lý trong chu trình nhiên liệu hạt nhân. Tỷ lệ đồng vị là dấu hiệu mạnh nhất và đáng tin cậy nhất, đóng vai trò như “vân tay” của vật liệu.

Khi mức độ làm giàu U-235 là thông số cơ bản để phân loại vật liệu (Uranium tự nhiên, LEU, hay HEU), thì các đồng vị thứ cấp mới là chìa khóa để truy vết nguồn gốc. Tỷ lệ U-234/U-238 thay đổi tùy thuộc vào phương pháp làm giàu (khuếch tán khí hay ly tâm) và mức độ làm giàu. Nó giúp các nhà điều tra xác định công nghệ làm giàu đã được sử dụng. U-236 là vết quan trọng nhất để phát hiện vật liệu tái chế. Nó là đồng vị nhân tạo, chỉ được sinh ra khi U-235 hấp thụ neutron trong lò phản ứng hạt nhân. Sự hiện diện của U-236 trong một mẫu Uranium làm giàu là bằng chứng cho thấy vật liệu này có nguồn gốc từ tái chế Uranium đã qua lò phản ứng hạt nhân, chứ không phải từ quặng tự nhiên nguyên thủy. Trong vụ thu giữ tại Bulgaria năm 1999, chính hàm lượng U-236 cao bất thường (12.1%) đã xác minh nguồn gốc của vật liệu là nhiên liệu đã qua sử dụng được tái chế.

Plutonium không tồn tại trong tự nhiên với lượng đáng kể, do đó mọi mẫu Pu đều mang dấu ấn của lò phản ứng hạt nhân đã tạo ra nó. Tỷ lệ các đồng vị Pu (Pu-240/Pu-239, Pu-241/Pu-239, Pu-242/Pu-239) phụ thuộc trực tiếp vào phổ neutron của lò phản ứng hạt nhân (lò nước nhẹ, lò nước nặng, hay lò graphite) và thời gian chiếu xạ (burn-up). Các mô hình mô phỏng vật lý lò phản ứng hạt nhân (như MCNP hay WIMS) cho phép các nhà khoa học “chạy ngược” quá trình: từ tỷ lệ đồng vị đo được, họ tính toán ngược lại để xác định loại lò phản ứng hạt nhân và độ cháy của nhiên liệu. Ví dụ, tỷ lệ Pu-240 thấp (<6%) thường chỉ thị Plutonium cấp vũ khí (Weapons-grade), trong khi tỷ lệ cao hơn chỉ thị Plutonium cấp lò phản ứng (Reactor-grade).

Ý nghĩa của các tỷ lệ đồng vị chính trong giám định hạt nhân

Tỷ lệ Đồng vị	Ý nghĩa Giám định	Ứng dụng điển hình
U-235 / U-238	Xác định độ làm giàu (Enrichment level)	Phân loại: Tự nhiên, LEU, HEU
U-236 / U-238	Phát hiện tái chế nhiên liệu	Phân biệt Uranium nguyên thủy và Uranium tái chế (RepU)
U-234 / U-235	Xác định công nghệ làm giàu	Phân biệt công nghệ ly tâm khí và khuếch tán khí
Pu-240 / Pu-239	Xác định chất lượng Plutonium	Phân biệt cấp vũ khí (WG) và cấp lò phản ứng (RG)
O-18 / O-16	Dấu hiệu môi trường nước xử lý	Xác định vị trí địa lý nơi diễn ra quá trình thủy phân/kết tủa

Ngoài thành phần chính, các tạp chất vết đóng vai trò như những “nhân chứng” về lịch sử xử lý của vật liệu. Mô hình phân bố các nguyên tố đất hiếm (REE pattern) trong quặng Uranium thường được bảo tồn qua các quá trình xử lý ban đầu (như sản xuất bánh vàng – Yellowcake). Nghiên cứu sử dụng phân tích thống kê đa biến (như OPLS-DA) cho thấy mô hình REE có thể giúp phân biệt nguồn gốc địa lý của quặng Uranium (ví dụ: mỏ ở Úc so với mỏ ở Canada hay Kazakhstan) với độ chính xác cao. Điều này đặc biệt hữu ích trong việc truy nguyên nguồn gốc của tinh quặng Uranium (UOC).

Sự hiện diện của các tạp chất anion như Florua (F-), Clorua (Cl-), hay Sunfat (SO₄2-) cung cấp thông tin về các hóa chất đã được sử dụng trong quá trình tuyển quặng hoặc chuyển đổi. Ví dụ, dư lượng Florua cao có thể chỉ ra vật liệu đã trải qua quá trình flo hóa để tạo UF6 nhưng chưa được chuyển đổi hoàn toàn thành oxit sạch. Các tạp chất kim loại như Canxi (Ca), Magie (Mg), hay Sắt (Fe) có thể xuất phát từ nước xử lý, thiết bị chứa, hoặc các chất kết tủa (như vôi hoặc magie hydroxit).

Ở cấp độ vi mô, hình dáng và cấu trúc bề mặt của các hạt vật liệu hạt nhân kể lại câu chuyện về cách chúng được sinh ra. Đây là lĩnh vực mà khoa học vật liệu giao thoa với khoa học hình sự. Bột oxit Uranium (U₃O₈ hoặc UO₂) được tạo ra từ các tiền chất khác nhau (Amoni Diuranate – ADU, Amoni Uranyl Carbonate – AUC, hay Magie Diuranate – MDU) sẽ có hình thái hạt rất đặc trưng. Ví dụ, các hạt từ tiền chất AUC thường có dạng tròn và đồng đều hơn, trong khi hạt từ ADU có thể có dạng tấm hoặc bất định hình. Những đặc điểm này phụ thuộc vào nhiệt độ nung (calcination temperature). Nhiệt độ nung càng cao, các hạt càng có xu hướng kết khối (sintering) và giảm độ xốp. Phân tích hình ảnh SEM (Scanning Electron Microscopy) kết hợp với các thuật toán học máy (Machine Learning) hiện nay cho phép phân loại chính xác quy trình sản xuất dựa trên các đặc điểm hình thái này với độ chính xác trên 90%.

Một trong những câu hỏi quan trọng nhất trong điều tra là “Vật liệu này được sản xuất khi nào?”. Kỹ thuật xác định tuổi dựa trên nguyên lý tích tụ của các đồng vị con (progeny isotopes) sau lần tinh chế cuối cùng. Khi vật liệu hạt nhân được tinh chế hóa học (ví dụ: qua quy trình PUREX), các đồng vị con bị loại bỏ hoàn toàn (thời điểm t=0). Sau đó, chúng bắt đầu sinh ra trở lại theo quy luật phân rã phóng xạ. Bằng cách đo tỷ lệ giữa đồng vị con và đồng vị mẹ, ta có thể tính được thời gian trôi qua từ thời điểm t=0.

• Hệ Uranium: sử dụng cặp Th-230/U-234.
• Hệ Plutonium: sử dụng cặp Am-241/Pu-241 (phổ biến nhất) hoặc U-234/Pu-238.

Việc sử dụng nhiều “đồng hồ” khác nhau trên cùng một mẫu (multi-chronometer dating) giúp tăng độ tin cậy và phát hiện nếu quá trình tinh chế không hoàn toàn. Trong vụ án buôn lậu HEU tại Paris năm 2001, kỹ thuật này đã xác định chính xác ngày sản xuất vật liệu là vào tháng 11 năm 1994 (với sai số ± 100 ngày), cung cấp manh mối quan trọng để khoanh vùng cơ sở sản xuất.

Quy trình phân tích trong giám định hạt nhân phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn khoa học và pháp lý. Một kế hoạch phân tích điển hình thường đi từ các kỹ thuật không phá hủy (Non-Destructive Analysis – NDA) đến các kỹ thuật phá hủy tinh vi (Destructive Analysis – DA). Các kỹ thuật NDA được thực hiện ngay khi mẫu về đến phòng thí nghiệm (hoặc thậm chí tại hiện trường) để thu thập thông tin nhanh mà không làm thay đổi mẫu vật.

• Quang phổ Gamma (Gamma Spectrometry): kỹ thuật đầu tiên và quan trọng nhất. Nó cho phép xác định các đồng vị phóng xạ chính (U-235, U-238, Pu-239, Am-241) thông qua các đỉnh năng lượng gamma đặc trưng. Phổ gamma giúp phân loại sơ bộ vật liệu (ví dụ: LEU hay HEU) và đánh giá an toàn bức xạ cho các bước tiếp theo.
• Huỳnh quang tia X (XRF): Xác định thành phần nguyên tố (elemental composition) của mẫu, bao gồm cả nguyên tố hạt nhân và các kim loại đi kèm. XRF cầm tay thường được sử dụng tại hiện trường để sàng lọc nhanh.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM-EDS): Quan sát hình thái học bề mặt và phân tích thành phần nguyên tố tại các điểm vi mô. Đây là bước quan trọng để đánh giá tính đồng nhất của mẫu trước khi quyết định phương pháp hòa tan cho các phân tích phá hủy.
• Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu (ví dụ: phân biệt giữa UO2, U3O8, hay UO3). Cấu trúc tinh thể liên quan trực tiếp đến lịch sử nhiệt và điều kiện lưu trữ của mẫu.

Để có được các tỷ lệ đồng vị siêu chính xác cho mục đích quy kết nguồn gốc, các kỹ thuật khối phổ (Mass Spectrometry) là bắt buộc. Đây là lúc mẫu vật được hòa tan và tách chiết hóa học. Khối phổ ion hóa nhiệt (TIMS – Thermal Ionization Mass Spectrometry) được coi là “tiêu chuẩn vàng” trong giám định hạt nhân cho việc đo tỷ lệ đồng vị. Mẫu được đặt lên một dây tóc kim loại (filament) và nung nóng trong chân không để tạo ra các ion dương. Độ chính xác (precision) và độ đúng (accuracy) cực cao (thường đạt sai số <0.1%). TIMS không bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa nguyên tử (polyatomic interferences) như ICP-MS. TIMS được sử dụng đo tuổi vật liệu (radiochronometry) và xác định các tỷ lệ đồng vị quan trọng để truy nguyên nguồn gốc.

Khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS – Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry), bao gồm các biến thể như HR-ICP-MS (High Resolution) và MC-ICP-MS (Multi-Collector), là công cụ linh hoạt nhất. Mẫu được phun vào ngọn lửa plasma argon nhiệt độ cao (6000-10000K) để ion hóa. Tốc độ phân tích nhanh, khả năng phân tích đồng thời hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn. ICP-MS đặc biệt mạnh trong việc xác định hồ sơ tạp chất (impurity profiling) và đất hiếm. Mặc dù TIMS chính xác hơn cho tỷ lệ đồng vị, ICP-MS lại vượt trội về năng suất và khả năng phân tích đa nguyên tố với chi phí thấp hơn.

Khối phổ ion thứ cấp (SIMS- Secondary Ion Mass Spectrometry) – Phân tích hạt đơn là kỹ thuật vi phân tích, cho phép phân tích từng hạt bụi riêng lẻ (single particle analysis). Sử dụng chùm ion sơ cấp bắn phá bề mặt mẫu để giải phóng các ion thứ cấp. Trong các mẫu môi trường (như mẫu quệt swipe samples) chứa hàng triệu hạt bụi từ nhiều nguồn khác nhau, SIMS có thể “nhặt” ra và phân tích các hạt uranium cụ thể mà không bị nhiễu bởi nền mẫu. Điều này cực kỳ quan trọng để phát hiện các hoạt động hạt nhân bí mật.

So sánh kỹ thuật phân tích khối phổ trong giám định hạt nhân

Đặc tính Kỹ thuật	TIMS (Thermal Ionization)	ICP-MS (Inductively Coupled Plasma)	SIMS (Secondary Ion)
Cơ chế ion hóa	Nhiệt (dây tóc Re/Ta)	Plasma Argon nhiệt độ cao	Bắn phá bề mặt bằng chùm ion
Độ phân giải không gian	Không (phân tích mẫu khối – Bulk)	Không (phân tích mẫu lỏng – Bulk)	Rất cao (Phân tích vi mô/Micro)
Độ chính xác tỷ lệ đồng vị	Rất cao (<0.01% – 0.1%)	Cao (với MC-ICP-MS), Trung bình (Q-ICP-MS)	Trung bình (1% ở quy mô micro)
Chuẩn bị mẫu	Phức tạp, cần tách chiết hóa học kỹ	Đơn giản hơn, hòa tan mẫu	Đơn giản, đặt mẫu rắn trực tiếp
Ưu điểm chính	Độ chính xác tuyệt đối cho định tuổi	Phân tích đa nguyên tố, tốc độ nhanh	Phân tích hạt riêng lẻ, không phá hủy mẫu lớn

Để minh họa sức mạnh của giám định hạt nhân, không ví dụ nào điển hình hơn chuỗi các vụ thu giữ Uranium làm giàu cao (HEU) tại khu vực Biển Đen từ năm 1999 đến 2011. Đây là minh chứng cho thấy sự kiên trì của các mạng lưới buôn lậu và vai trò của giám định trong việc kết nối các điểm dữ liệu rời rạc.

• Vụ Ruse, Bulgaria (29/5/1999): lực lượng chức năng thu giữ một bình chì chứa ống thủy tinh bên trong xe của một công dân Thổ Nhĩ Kỳ. Bên trong ống là khoảng 4g bột đen mịn. Kết quả phân tích: HEU dạng oxit, độ làm giàu 72.7% U-235.
• Vụ Paris, Pháp (7/2001): cảnh sát Pháp thu giữ một mẫu nhỏ (468 mg) bột HEU. Các đặc tính vật lý và bao bì tương tự vụ Bulgaria.
• Vụ Chisinau, Moldova (27/6/2011): trong một chiến dịch gài bẫy (sting operation), cảnh sát Moldova bắt giữ một nhóm buôn lậu đang cố bán 4.4g HEU với giá hàng trăm ngàn Euro. Kẻ cầm đầu thậm chí còn chào bán cả Plutonium.

Các phân tích giám định độc lập tại các phòng thí nghiệm hàng đầu (như ITU ở Châu Âu và các phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ) đã đưa ra những kết luận chấn động:

• Đồng nhất về đồng vị: cả ba mẫu vật, dù bị thu giữ cách nhau hơn một thập kỷ, đều có tỷ lệ đồng vị gần như y hệt nhau: U-235 ở mức ~72.7% và đặc biệt là U-236 ở mức rất cao ~12.1%. Sự trùng khớp đến con số thập phân này là không thể ngẫu nhiên.
• Dấu hiệu tái chế: hàm lượng U-236 cao khẳng định vật liệu này là Uranium tái chế từ nhiên liệu đã qua sử dụng. Điều này thu hẹp đáng kể nguồn gốc tiềm năng, chỉ tập trung vào các cơ sở có khả năng tái chế nhiên liệu HEU.
• Bao bì và dấu hiệu phi hạt nhân: cả ba mẫu đều được đựng trong ống thủy tinh (glass ampoules) có thiết kế công nghiệp tương tự nhau.

Lớp vỏ bọc chì (lead pig) được chế tác thô sơ nhưng có cùng kiểu dáng. Đặc biệt, lớp sáp (wax) chèn trong bình chứa có chứa Barium Chromate, một chất phụ gia hiếm gặp dùng để tạo màu và tăng độ bền nhiệt. Sự hiện diện của dấu hiệu hóa học độc đáo này trong cả ba vụ án là “bằng chứng không thể chối cãi” về mối liên hệ giữa chúng. Kết luận từ giám định hạt nhân đã vẽ nên một bức tranh đáng lo ngại: có một lượng lớn vật liệu HEU (có thể hàng kg) từ cùng một lô sản xuất (được cho là từ cơ sở Mayak, Nga, sản xuất vào đầu những năm 1990) đã bị đánh cắp và chưa được thu hồi. Mạng lưới buôn lậu này hoạt động bền bỉ, có tổ chức và có khả năng lưu trữ, bảo quản vật liệu trong thời gian dài (hơn 10 năm) mà không bị phát hiện. Khu vực Moldova và Biển Đen đóng vai trò là trạm trung chuyển trọng yếu. Vụ việc này đã thúc đẩy cộng đồng quốc tế, đặc biệt là thông qua GICNT và IAEA, tăng cường hỗ trợ năng lực giám định cho các quốc gia Đông Âu và siết chặt kiểm soát biên giới.

Tại Hoa Kỳ và nhiều quốc gia phương Tây, chứng cứ giám định hạt nhân phải vượt qua tiêu chuẩn Daubert (hoặc các tiêu chuẩn tương đương). Theo đó, thẩm phán sẽ xem xét:

• Phương pháp phân tích đã được kiểm chứng (tested) chưa?
• Tỷ lệ sai số (error rate) đã biết là bao nhiêu?
• Phương pháp có được cộng đồng khoa học chấp nhận rộng rãi không (peer review)?
• Có các tiêu chuẩn kiểm soát (standards of control) hay không?.

Để đáp ứng các yêu cầu này, các phòng thí nghiệm giám định hạt nhân phải tuân thủ tiêu chuẩn ISO 17025. Việc sử dụng các Mẫu chuẩn được chứng nhận (Certified Reference Materials – CRMs) là bắt buộc để hiệu chuẩn thiết bị và xác định độ không đảm bảo đo (uncertainty). Sự thiếu hụt các mẫu chuẩn CRMs cho các loại vật liệu hạt nhân đặc thù (như plutonium có độ tuổi xác định) vẫn là một thách thức mà cộng đồng quốc tế đang nỗ lực giải quyết thông qua việc hợp tác sản xuất mẫu chuẩn.

Từ khóa: giám định hạt nhân;

– CMD –