Electrodeposition of Highly Enriched Uranium Thin Films for Advanced Fission Detectors

En el corazón de un reactor de investigación, donde los neutrones vuelan en una tormenta caótica y las temperaturas se disparan, los científicos necesitan saber exactamente qué tan intensa es la radiación en cualquier momento dado. No pueden confiar en sensores que solo les indican la cantidad total de radiación después de que termina un experimento; necesitan una transmisión en vivo, un flujo constante de datos que muestre cómo aumenta y disminuye la potencia del reactor en tiempo real. Para lograr esto, utilizan diminutos dispositivos llamados detectores de fisión de microbolsillo. Estos sensores funcionan como cámaras de ionización en miniatura. Dentro de cada uno hay una capa muy fina de uranio especial, situada sobre un disco de platino, rodeada por una pequeña bolsa de gas. Cuando un neutrón golpea un átomo en esa capa de uranio, divide el átomo. Esta división libera dos fragmentos de alta velocidad. Un fragmento se queda atrapado en el disco metálico, pero el otro sale volando hacia la bolsa de gas, desprendiendo electronos de los átomos de gas y creando una diminuta chispa eléctrica. Al contar estas chispas, el sensor puede decirle a los investigadores exactamente cuántos neutrones están pasando por segundo.

Para que este sensor funcione perfectamente, la capa de uranio debe tener el grosor justo. Si la capa es demasiado fina, no hay suficientes átomos de uranio para capturar suficientes neutrones y generar una señal medible. Si la capa es demasiado gruesa, los fragmentos de los átomos que están en lo profundo de la capa son detenidos por el propio uranio antes de que puedan llegar al gas, y la señal se pierde. El punto ideal para estos sensores es una masa de uranio entre 0,3 y 1,0 microgramos. Esta es una cantidad increíblemente pequeña, aproximadamente el peso de un solo grano de polvo, pero debe depositarse con extrema precisión sobre un disco de solo unos pocos milímetros de ancho. El desafío es colocar esta cantidad diminuta y precisa de uranio altamente enriquecido sobre el sensor sin desperdiciar material o crear una capa que sea desigual o demasiado gruesa.

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho se propuso resolver este problema probando dos formas diferentes de construir estas capas de uranio. Querían encontrar el mejor método para recubrir discos de platino con un 93 por ciento de uranio altamente enriquecido, un material elegido porque su alta concentración del isótopo fisible uranio-235 hace que los sensores sean mucho más sensibles, incluso con una masa total tan pequeña. El equipo comparó dos técnicas: una que barre el voltaje eléctrico de un lado a otro sobre el disco, y otra que mantiene el voltaje constante en un solo nivel. También desarrollaron una nueva forma estricta de pesar el uranio después de ser depositado, utilizando dos herramientas científicas diferentes para asegurar que sus mediciones fueran precisas.

Los investigadores comenzaron preparando una solución líquida que contenía el uranio y controlando cuidadosamente su acidez. Descubrieron que el nivel de acidez era crítico; si el líquido era demasiado ácido, el uranio se disolvería de nuevo en la solución, pero si era demasiado básico, se formarían grumos que no se adherirían al disco. Al mantener la acidez en un nivel neutro específico, crearon un entorno estable para que el uranio se asentara sobre el platino. Luego aplicaron los dos métodos eléctricos diferentes para ver cuál podía depositar el uranio de manera más eficiente. El primer método, que implicaba cambiar rápidamente el voltaje eléctrico, se había utilizado antes para cantidades menores de uranio, pero el equipo quería ver si podía manejar las cantidades mayores necesarias para estos nuevos sensores. El segundo método, que mantenía el voltaje constante, era un enfoque más directo que esperaban que construyera la capa más rápido y de manera más consistente.

Mientras realizaban los experimentos, observaban cómo se acumulaba el uranio en los discos. El método que barría el voltaje de un lado a otro funcionaba, pero tenía un límite. A medida que añadían más capas ejecutando más ciclos, la tasa a la que el nuevo uranio se adhería al disco disminuía significativamente. Era como si la superficie estuviera abarrotada, haciendo que fuera más difícil para los nuevos átomos encontrar un lugar donde aterrizar. En contraste, el método que mantenía el voltaje constante era mucho más efectivo para construir la masa. Depositaba uranio a una velocidad mayor y continuaba haciéndolo durante períodos más largos sin chocar con la misma pared de rendimientos decrecientes. El equipo descubrió que, al usar el método de voltaje constante y detener el proceso en el momento justo, podían crear de manera confiable capas que caían dentro del rango objetivo de 0,3 a 1,0 microgramos.

Para estar absolutamente seguros de sus resultados, el equipo no solo confió en los datos eléctricos del proceso de deposición. Utilizaron dos métodos independientes para pesar el uranio una vez que estuvo en el disco. El primer método consistió en medir la radiactividad natural de un isótopo específico, el uranio-234, que está presente en el material en una proporción fija respecto al uranio-235 principal. Al contar las partículas alfa emitidas por este isótopo, podían calcular la masa total del uranio. El segundo método consistió en disolver una pequeña pieza del uranio y analizarla con una máquina que separa los átomos por su peso. Este segundo método sirvió como un control para confirmar el primero.

Los resultados mostraron que el método de voltaje constante era el claro ganador para la creación de estos sensores. Produjo capas consistentes que estaban cerca de la masa objetivo, y la firma isotópica del uranio permaneció intacta, lo que significa que el proceso no alteró la composición química del material. Sin embargo, el equipo también descubrió una pequeña pero importante discrepancia entre sus dos métodos de pesaje. El método que contaba la radiactividad medía consistentemente una masa ligeramente menor que el método que pesaba los átomos disueltos. Los investigadores investigaron esta brecha cuidadosamente. Examinaron la forma de las señales de energía de los conteos radiactivos y no encontraron signos de que la capa de uranio fuera demasiado gruesa para permitir que las partículas escaparan, lo que habría causado que el método de radiactividad subestimara la masa. En su lugar, concluyeron que la diferencia probablemente se debía a un pequeño problema de calibración en el equipo utilizado para contar la radiactividad, más que a un problema con la propia capa de uranio.

Este estudio confirma que el método de voltaje constante es una forma confiable de construir las capas de uranio ultra finas necesarias para los detectores de neutrones avanzados. Proporciona un camino claro para fabricar sensores que puedan sobrevivir al entorno hostil dentro de un reactor de investigación y proporcionar los datos en tiempo real que los científicos necesitan para comprender cómo se comporta el combustible nuclear. Aunque el equipo no probó los sensores dentro de un reactor real como parte de este estudio específico, el proceso de fabricación está ahora probado para crear el tipo de material adecuado. El siguiente paso será introducir estos sensores en el reactor para ver cómo se comportan bajo condiciones reales, pero los cimientos para ese trabajo se han establecido firmemente. Los investigadores han demostrado que, con un control cuidadoso de la química y la técnica eléctrica adecuada, es posible construir estas herramientas microscópicas de alta precisión que ayudarán a que los reactores de investigación funcionen de manera segura y eficiente.