ניתוח איזוטופי ברזולוציה מרחבית של חלקיק המכיל אורניום מתוך תגבורת הדאי-איצ'י יחידה 2 באמצעות SIMS ברזולוציה גבוהה

מדוע גרגיר זעיר מהפוקושימה חשוב

בתוך הכורים הניזוקים בדאי-איצ'י, חלק גדול מדלק הגרעיני התיך, התערבב עם פלדה ומבנים אחרים, ואז התקשה לצורת "שברי דלק" מורכבים. הסרת חומר זה בבטחה היא אחת המכשולים הגדולים ביותר להשלמת הניקיון. המחקר מתמקד בחלקיק מיקרוסקופי יחיד מהשברים ומראה כיצד טכניקת הדמיה חזקה יכולה לחשוף, בפירוט מרשים, ממה הוא מורכב וכיצד נוצר — מידע שמסייע בסופו של דבר להפוך עבודות עתידיות סביב הכורים לבטוחות וניתנות לחיזוי יותר.

התבוננות מקרוב בגרגיר השבר

החוקרים בחנו חלקיק ברוחב של כ-50 מיקרומטר — בערך שיערה אנושית דקה — שנלקח מתוך מבנה יחידה 2. הגרגיר הזעיר הזה נחשב לחלק מעירבוב מוצק של דלק מותך וחומרת הכור שנוצר בתאונה של 2011. עד כה מרבית המחקרים על חומר כזה הפכו דגימות לנוזל ומדדו רק הרכב ממוצע, וכך איבדו מבנים בקנה מידה קטן. כאן רצה הצוות לראות כיצד הוצבו יסודות שונים, ובמיוחד אורניום מהדלק ובורון ממוטות הבקרה, בתוך החלקיק, וכיצד "טעמם" האטומי, כלומר האיזוטופים שלהם, השתנו ממקום למקום.

חיתוך ומיפוי החלקיק בתלת־ממד

לשם כך הם השתמשו בכלי מיוחד שמשלב קרן יונים ממוקדת — בפועל כלי גילוף בננו־קנה מידה — עם ספקטרומטר מסה ברזולוציה גבוהה. הקרן חיתכה תחילה שכבות דקות מהחלקיק, מה שאיפשר למדענים לצפות בחתכים חלקים באמצעות הדמיית אלקטרונים. תמונות אלה הראו פנים קומפקטי, חופשי מבועות, מה שמרמז כי גזים ברחו או לא היו קיימים כשהטיפה של החומר המותך התקררה והתקשתה. באופן מהותי, אותו מכשיר סרק אז כל משטח טרי ליצירת מפות הרכב, וחשף היכן רוכזו יסודות מרכזיים כגון אורניום, זרקוניום, ברזל, כרום, בורון וליתיום בתוך הגרגיר.

פענוח התערובת של דלק, פלדה ומוטות בקרה

מפות הכימיה הראו שהחלקיק אינו אחיד אלא מחולק לאזורים בקנה מידה מיקרומטרי עם תערובות מובחנות. אזור אחד מכיל גם אורניום וגם זרקוניום, תואם לפילוטי דלק מותכים וציפוי הדלק שהתקשו יחד. אזור אחר עשיר בברזל, בורון וליתיום, מצביע על מקור בשלד הפלדה ומוטות בוריד הקרביד של הבקרה. אזור שלישי נשלט על ידי כרום, ככל הנראה משקף תגובות בטמפרטורות גבוהות והפרדות שונות כאשר התערובת התקררה. אורניום מופץ ברוב הפנים, בעוד שבורון מרוכז יותר בחלקים החיצוניים, דבר המורה כי התכה עשירה באורניום התקשתה קודם והחומר הנושא בורון נדד החוצה לפני ההקפאה. יחד, דפוסים אלה מתעדים היסטוריית התכה-והתקררות הדרגתית של הדלק והחומרה הסובבת.

קריאת הזיכרון האטומי של החלקיק

מעבר למיפוי היסודות, הצוות מדד איזוטופים — וריאנטים של אותו יסוד עם מסות שונות — בתוך החלקיק. האורניום הראה רמה של התעשרות בין אורניום טבעי לבין הדלק הטרי שהוטען במקור ביחידה 2, כלומר מקורו בדלק ששימש בכור אך לא "נשר" לגמרי. אף יותר חושפני היו איזוטופי הבורון והליתיום. בורון-10 במוטות הבקרה יכול ללכוד נויטרונים ולהשתנות לליתיום-7. בחלקיק, לבורון היה מעט פחות שבר של בורון-10 בהשוואה לטבע, בעוד שליתיום-7 היה מוגבר במידה רבה. הצמדים המבחינים האלה מהווים טביעת אצבע של תגובת לכידת הנויטרון, ומוכיחים שמaterial מוטות הבקרה המשובץ בחלקיק ספג בעבר נויטרונים במהלך פעולה רגילה בהספק.

מה משמעות הדבר עבור הניקיון והבטיחות

על ידי פיענוח המבנה והרכב האיזוטופי של גרגיר מיקרוסקופי יחיד, המחקר מספק חלון חדש למה שהתרחש בתוך ליבת הכור של הפוקושימה כשהיא התחממה, נמסה ולאחר מכן התקרה. העבודה מספקת ההוכחה הישירה הראשונה לכך שדלק, פלדת מבנה ומוטות בקרה הסתיימו כשהם מאוחדים יחד בחלקיקי שבר בודדים, ושההיסטוריה של ספיגת נויטרונים עדיין כתובה באיזוטופים שלהם. הגישה ההדמיתית ברזולוציה גבוהה שהודגמה כאן ניתנת ליישום על דגימות נוספות רבות, ועוזרת למהנדסים להעריך טוב יותר כיצד הדלק מופץ, עד כמה הוא מעורב עם חומרים סופגים נויטרונים כמו בורון, וכיצד הוא נוצר. הידע הזה תומך בהערכות מהימנות יותר של סיכון קריטיות ומדריך אסטרטגיות לחיתוך, הוצאה ואחסון בטוחים של שברי הדלק הנותרים.

ציטוט: Yoshida, T., Maeda, K., Sekio, Y. et al. Spatially resolved isotopic analysis of a uranium-bearing particle from inside the Fukushima Daiichi unit 2 reactor using high-resolution SIMS. Sci Rep 16, 9865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40875-y

מילות מפתח: שברי דלק של הפוקושימה, הדמיית SIMS, איזוטופים של אורניום, מוטות בקרה מבורון, הפסקת פעילות גרעינית