Electrodeposition of Highly Enriched Uranium Thin Films for Advanced Fission Detectors

في قلب مفاعل بحثي، حيث تطير النيوترونات في عاصفة فوضوية وترتفع درجات الحرارة بشكل هائل، يحتاج العلماء إلى معرفة مدى شدة الإشعاع بدقة في أي لحظة معينة. لا يمكنهم الاعتماد على أجهزة استشعار تخبرهم فقط بالكمية الإجمالية للإشعاع بعد انتهاء التجربة؛ بل هم بحاجة إلى تغذية حية، تدفق مستمر من البيانات يوضح كيف ترتفع طاقة المفاعل وتنخفض في الوقت الفعلي. وللحصول على ذلك، يستخدمون أجهزة دقيقة تسمى كواشف الانشطار ذات الجيوب المجهرية (micro-pocket fission detectors). تعمل هذه المستشعرات مثل غرف التأين المصغرة. يوجد داخل كل منها طبقة رقيقة جداً من اليورانيوم الخاص، تستقر على قرص من البلاتين، وتحيط بها جيب صغير من الغاز. عندما يصطدم نيوترون بذرة في طبقة اليوراني هذه، فإنه يشطر الذرة. هذا الانشطار يطلق شظيتين عاليتا السرعة؛ إحدى الشظيتين تلتصق بالقرص المعدني، بينما تطير الأخرى إلى جيب الغاز، مما يؤدي إلى تحرير الإلكترونات من ذرات الغاز وتوليد شرارة كهربائية ضئيلة. ومن خلال عد هذه الشرارات، يمكن للمستشعر أن يخبر الباحثين بالضبط عدد النيوترونات التي تمر كل ثانية.

لكي يعمل هذا المستشعر بشكل مثالي، يجب أن يكون سمك طبقة اليورانيوم دقيقاً للغاية. فإذا كانت الطبقة رقيقة جداً، فلن يتوفر عدد كافٍ من ذرات اليورانيوم لالتقاط ما يكفي من النيوترونات لإحداث إشارة قابلة للقياس. وإذا كانت الطبقة سميكة جداً، فإن الشظايا الناتجة عن الذرات الموجودة في عمق الطبقة ستتوقف بسبب اليورانيوم نفسه قبل وصولها إلى الغاز، وبالتالي تضيع الإشارة. "النقطة المثالية" لهذه المستشعرات هي كتلة من اليورانيوم تتراوح بين 0.3 و1.0 ميكروغرام. هذه كمية ضئيلة للغاية، تعادل تقريباً وزن حبة غبار واحدة، ومع ذلك يجب ترسيبها بدقة متناهية على قرص يبلغ عرضه بضعة مليمترات فقط. ويتمثل التحدي في وضع هذه الكمية الصغيرة والدقيقة من اليورانيوم عالي التخصيب على المستشعر دون إهدار المادة أو إنشاء طبقة غير متساوية أو سميكة للغاية.

لقد وضع فريق من الباحثين في مختبر أيداهو الوطني (Idaho National Laboratory) هدفاً لحل هذه المشكلة من خلال اختبار طريقتين مختلفتين لبناء هذه الطبقات من اليورانيوم. أرادوا العثور على أفضل طريقة لطلاء أقراص البلاتين بـ 93 بالمائة من اليورانيوم عالي التخصيب، وهي مادة تم اختيارها لأن تركيزها العالي من نظير اليورانيوم-235 القابل للانشطار يجعل هذه المستشعرات أكثر حساسية، حتى مع هذه الكتلة الإجمالية الضئيلة. قارن الفريق بين تقنيتين: إحداهما تقوم بمسح الجهد الكهربائي ذهاباً وإياباً فوق القرص، والأخرى تبقي الجهد ثابتاً عند مستوى واحد. كما طوروا طريقة جديدة صارمة لوزن اليورانيوم بعد ترسبه، باستخدام أداتين علميتين مختلفتين للتأكد من دقة قياساتهم.

بدأ الباحثون بتحضير محلول سائل يحتوي على اليورانيوم والتحكم بعناية في حموضته. وقد وجدوا أن مستوى الحموضة كان حاسماً؛ فإذا كان السائل حمضياً جداً، سيذوب اليورانيوم مرة أخرى في المحلول، أما إذا كان قاعدياً جداً، فسيشكل تكتلات لن تلتصق بالقرص. ومن خلال الحفاظ على الحموضة عند مستوى محايد محدد، خلقوا بيئة مستقرة لاستقرار اليورانيوم على البلاتين. ثم طبقوا الطريقتين الكهربائيتين لمعرفة أيهما يمكنه ترسيب اليورانيوم بكفاءة أكبر. الطريقة الأولى، التي تضمنت تغيير الجهد الكهربائي بسرعة، كانت مستخدمة سابقاً لكميات أصغر من اليورانيوم، لكن الفريق أراد معرفة ما إذا كان بإمكانها التعامل مع الكميات الأكبر المطلوبة لهذه المستشعرات الجديدة. أما الطريقة الثانية، التي أبقت الجهد ثابتاً، فكانت نهجاً أكثر بساطة أملوا من خلاله بناء الطبقة بشكل أسرع وبشكل أكثر اتساقاً.

بينما كانوا يجرون التجارب، راقبوا كيفية تراكم اليورانيوم على الأقراص. الطريقة التي كانت تمسح الجهد ذهاباً وإياباً نجحت، ولكن كان لها حد معين؛ فمع إضافة المزيد من الطبقات عبر تشغيل المزيد من الدورات، تباطأ معدل التصاق اليورانيوم الجديد بالقرص بشكل ملحوظ. بدا الأمر وكأن السطح أصبح مزدحماً، مما جعل من الصعب على الذرات الجديدة إيجاد مكان للاستقرار فيه. في المقابل، كانت الطريقة التي حافظت على الجهد ثابتاً أكثر فعالية في بناء الكتلة؛ فقد رسبت اليورانيوم بمعدل أسرع واستمرت في القيام بذلك لفترات أطول دون الاصطدام بنفس حاجز تناقص العوائد. وجد الفريق أنه باستخدام طريقة الجهد الثابت والإيقاف عند اللحظة المناسبة تماماً، يمكنهم إنشاء طبقات تقع باستمرار ضمن النطاق المستهدف من 0.3 إلى 1.0 ميكروغرام.

وللتأكد تماماً من نتائجهم، لم يكتفِ الفريق بالوثوق في البيانات الكهربائية لعملية الترسيب، بل استخدموا طريقتين مستقلتين لوزن اليورانيوم بعد وجوده على القرص. تضمنت الطريقة الأولى قياس النشاط الإشعاعي الطبيعي لنظير معين، وهو اليورانيوم-234، الموجود في المادة بنسبة ثابتة إلى اليورانيوم-235 الرئيسي. ومن خلال عد جسيمات ألفا المنبعثة من هذا النظير، استطاعوا حساب الكتلة الإجمالية لليورانيوم. أما الطريقة الثانية، فقد تضمنت إذابة قطعة صغيرة من اليورانيوم وتحليلها باستخدام جهاز يفصل الذرات حسب وزنها. وكانت هذه الطريقة الثانية بمثابة فحص للتأكد من صحة الطريقة الأولى.

أظهرت النتائج أن طريقة الجهد الثابت كانت الفائز الواضح لإنشاء هذه المستشعرات؛ فقد أنتجت طبقات متسقة قريبة من الكتلة المستهدفة، وظل التوقيع النظائري لليورانيوم سليماً، مما يعني أن العملية لم تغير التركيبة الكيميائية للمادة. ومع ذلك، اكتشف الفريق أيضاً اختلافاً صغيراً ولكن مهماً بين طريقتي الوزن. فقد قامت الطريقة التي تعد جسيمات النشاط الإشعابي بقياس كتلة أقل قليلاً من الطريقة التي وزنت الذرات المذابة. حقق الباحثون في هذه الفجوة بعناية، ودرسوا شكل إشارات الطاقة الناتلة عن العدات الإشعاعية ولم يجدوا أي علامات تشير إلى أن طبقة اليورانيوم كانت سميكة جداً بحيث تمنع خروج الجسيمات، وهو ما كان سيؤدي إلى جعل طريقة النشاط الإشعاعي تقلل من تقدير الكتلة. وبدلاً من ذلك، استنتجوا أن الفرق يعود على الأرجح إلى مشكلة بسيطة في معايرة الجهاز المستخدم لعد النشاط الإشعاعي، وليس بسبب مشكلة في طبقة اليورانيوم نفسها.

تؤكد هذه الدراسة أن طريقة الجهد الثابت هي وسيلة موثوقة لبناء طبقات اليورانيوم فائقة الرقة اللازمة لكواشف النيوترونات المتقدمة. وهي توفر مساراً واضحاً لصنع مستشعرات يمكنها الصمود في البيئة القاسية داخل المفاعل البحثي وتوفير البيانات اللحظية التي يحتاجها العلماء لفهم سلوك الوقود النووي. وبينما لم يختبر الفريق المستشعرات داخل مفاعل فعلي كجزء من هذه الدراسة المحددة، فإن عملية التصنيع أصبحت الآن مثبتة لإنتاج النوع الصحيح من المواد. الخطوة التالية ستكون وضع هذه المستشعرات داخل المفاعل لرؤية كيفية أدائها في الظروف الحقيقية، ولكن الأساس لهذا العمل قد وُضع بقوة. لقد أثبت الباحثون أنه من خلال التحكم الدقيق في الكيمياء والتقنية الكهربائية الصحيحة، من الممكن بناء هذه الأدوات المجهرية عالية الدقة التي ستساعد في الحفاظ على تشغيل المفاعلات البحثية بأمان وكفاءة.