Electrodeposition of Highly Enriched Uranium Thin Films for Advanced Fission Detectors

Im Herzen eines Forschungsreaktors, wo Neutronen in einem chaotischen Sturm fliegen und die Temperaturen in die Höhe schießen, müssen Wissenschaftler genau wissen, wie intensiv die Strahlung zu jedem gegebenen Zeitpunkt ist. Sie können sich nicht auf Sensoren verlassen, die ihnen nur die Gesamtmenge der Strahlung nach einem Experiment mitteilen; sie benötigen einen Live-Feed, einen konstanten Datenstrom, der zeigt, wie die Leistung des Reaktors in Echtzeit steigt und fällt. Um dies zu erreichen, verwenden sie winzige Vorrichtungen, die als Mikro-Taschen-Fissionsdetektoren bezeichnet werden. Diese Sensoren funktionieren wie miniaturisierte Ionisationskammern. In jedem von ihnen befindet sich eine sehr dünne Schicht aus spezieller Uran, die auf einer Platinscheibe sitzt und von einer kleinen Gastasche umgeben ist. Wenn ein Neutron auf ein Atom in dieser Uranschicht trifft, spaltet es das Atom auseinander. Diese Spaltung setzt zwei Hochgeschwindigkeitsfragmente frei. Ein Fragment bleibt in der Metallscheibe stecken, aber das andere fliegt in die Gaszone, schlägt Elektronen aus den Gasatomen heraus und erzeugt einen winzigen elektrischen Funken. Durch das Zählen dieser Funken kann der Sensor den Forschern genau sagen, wie viele Neutronen pro Sekunde an ihnen vorbeiziehen.

Damit dieser Sensor perfekt funktioniert, muss die Uranschicht genau die richtige Dicke haben. Wenn die Schicht zu dünn ist, gibt es nicht genügend Uranatome, um genug Neutronen einzufangen, um ein messbares Signal zu erzeugen. Wenn sie zu dick ist, werden die Fragmente aus Atomen tief im Inneren der Schicht durch das Uran selbst gestoppt, bevor sie das Gas erreichen, und das Signal geht verloren. Der ideale Bereich für diese Sensoren liegt bei einer Uranmasse zwischen 0,3 und 1,0 Mikrogramm. Dies ist eine unglaublich kleine Menge, etwa das Gewicht eines einzelnen Staubkorns, doch sie muss mit extremer Präzision auf eine nur wenige Millimeter breite Scheibe aufgetragen werden. Die Herausforderung besteht darin, diese winzige, präzise Menge an hochangereichertem Uran auf den Sensor aufzubringen, ohne Material zu verschwenden oder eine Schicht zu erzeugen, die ungleichmäßig oder zu dick ist.

Ein Forscherteam am Idaho National Laboratory setzte sich zum Ziel, dieses Problem zu lösen, indem es zwei verschiedene Wege testete, um diese Uranschichten auf Platinscheiben mit 93 Prozent hochangereichertem Uran aufzubauen. Dieses Material wurde gewählt, weil seine hohe Konzentration des spaltbaren Isotops Uran-235 die Sensoren wesentlich empfindlicher macht, selbst bei einer so geringen Gesamtmasse. Das Team verglich zwei Techniken: eine, bei der die elektrische Spannung über die Scheibe hin und her geschwenkt wird, und eine andere, bei der die Spannung auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Sie entwickelten zudem eine neue, strenge Methode, um das Uran nach der Abscheidung zu wiegen, wobei sie zwei verschiedene wissenschaftliche Werkzeuge verwendeten, um sicherzustellen, dass ihre Messungen genau waren.

Die Forscher begannen damit, eine flüssige Lösung enthaltend das Uran vorzubereiten und kontrollierten dabei sorgfältig deren Säuregehalt. Sie fanden heraus, dass der Säuregrad entscheidend war; wenn die Flüssigkeit zu sauer war, löste sich das Uran wieder in der Lösung auf, aber wenn sie zu basisch war, bildeten sich Klumpen, die nicht an der Scheibe haften blieben. Indem sie den Säuregehalt auf einem spezifischen, neutralen Niveau hielten, schufen sie eine stabile Umgebung, in der sich das Uran auf dem Platin absetzen konnte. Sie wandten dann die zwei verschiedenen elektrischen Methoden an, um zu sehen, welche Methode das Uran effizienter abscheidet. Die erste Methode, die die elektrische Spannung schnell hin und her änderte, war bereits zuvor für kleinere Mengen an Uran verwendet worden, aber das Team wollte sehen, ob sie auch größere Mengen bewältigen konnte, die für diese neuen Sensoren benötigt werden. Die zweite Methode, die die Spannung konstant hielt, war ein direkterer Ansatz, von dem sie hofften, dass er die Schicht schneller und konsistenter aufbauen würde.

Während sie die Experimente durchführten, beobachteten sie, wie sich das Uran auf den Scheiben ansammelte. Die Methode, die die Spannung hin und her schwanken ließ, funktionierte zwar, hatte aber eine Grenze. Während sie mehr Schichten durch das Durchlaufen von mehr Zyklen hinzufügten, verlangsamte sich die Rate, mit der neues Uran an der Scheibe haftete, erheblich. Es war, als wäre die Oberfläche überfüllt, was es schwieriger machte, dass neue Atome einen Platz zum Landen fanden. Im Gegensatz dazu war die Methode, die die Spannung konstant hielt, viel effektiver beim Aufbau der Masse. Sie setzte Uran in einer schnelleren Rate ab und tat dies über längere Zeiträume hinweg, ohne an die gleiche Wand der abnehmenden Erträge zu stoßen. Das Team stellte fest, dass sie durch die Verwendung der Methode mit konstanter Spannung und das Stoppen des Prozesses zum genau richtigen Zeitpunkt zuverlässig Schichten erzeugen konnten, die im Zielbereich von 0,3 bis 1,0 Mikrogramm lagen.

Um absolut sicher über ihre Ergebnisse zu sein, vertrauten die Forscher nicht nur auf die elektrischen Daten des Abscheidungsprozesses. Sie verwendeten zwei unabhängige Methoden, um das Uran nach der Ablagerung auf der Scheibe zu wiegen. Die erste Methode beinhaltete die Messung der natürlichen Radioaktivität eines spezifischen Isotops, Uran-234, das in einem festen Verhältnis zur Hauptkomponente Uran-235 vorhanden ist. Durch das Zählen der von diesem Isotop emittierten Alpha-Teilchen konnten sie die Gesamtmasse des Urans berechnen. Die zweite Methode bestand darin, ein kleines Stück des Urans aufzulösen und es mit einer Maschine zu analysieren, die Atome nach ihrem Gewicht trennt. Diese zweite Methode diente als Kontrolle, um die erste zu bestätigen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Methode mit konstanter Spannung der klare Gewinner für die Herstellung dieser Sensoren war. Sie produzierte konsistente Schichten, die nahe an der Zielmasse lagen, und die Isotopensignatur des Urans blieb intakt, was bedeutet, dass der Prozess die chemische Zusammensetzung des Materials nicht verändert hat. Das Team entdeckte jedoch auch eine kleine, aber wichtige Diskrepanz zwischen ihren beiden Wägermethoden. Die Methode, die die Radioaktivität zählte, maß konsistent etwas weniger Masse als die Methode, die die gelösten Atome wog. Die Forscher untersuchten diese Lücke sorgfältig. Sie analysierten die Form der Energiesignale der Radioaktivitätszählungen und fanden keine Anzeichen dafür, dass die Uranschicht zu dick war, um die Teilchen entweichen zu lassen, was die Radioaktivitätsmethode dazu hätte führen können, die Masse zu unterschätzen. Stattdessen kamen sie zu dem Schluss, dass der Unterschied wahrscheinlich auf ein kleines Kalibrierungsproblem der Geräte zurückzuführen war, die die Radioaktivität zählten, und nicht auf ein Problem mit der Uranschicht selbst.

Diese Studie bestätigt, dass die Methode mit konstanter Spannung ein zuverlässiger Weg ist, um die ultradünnen Uranschichten aufzubauen, die für fortschrittliche Neutronendetektoren benötigt werden. Sie bietet einen klaren Pfad für die Herstellung von Sensoren, die in der rauen Umgebung innerhalb eines Forschungsreaktors überleben und die Echtzeitdaten liefern können, die Wissenschaftler benötigen, um das Verhalten von Kernbrennstoffen zu verstehen. Obwohl das Team die Sensoren im Rahmen dieser spezifischen Studie nicht in einem tatsächlichen Reaktor getestet hat, ist der Herstellungsprozess nun bewiesen für die Erzeugung des richtigen Materials. Der nächste Schritt wird sein, diese Sensoren in den Reaktor zu bringen, um zu sehen, wie sie unter realen Bedingungen abschneiden, aber das Fundament für diese Arbeit wurde nun fest gelegt. Die Forscher haben gezeigt, dass es mit sorgfältiger Kontrolle der Chemie und der richtigen elektrischen Technik möglich ist, diese mikroskopischen, hochpräzisen Werkzeuge zu bauen, die helfen werden, Forschungsreaktoren sicher und effizient zu betreiben.