Electrodeposition of Highly Enriched Uranium Thin Films for Advanced Fission Detectors

Au cœur d'un réacteur de recherche, là où les neutrons volent dans une tempête chaotique et où les températures s'envolent, les scientifiques ont besoin de savoir exactement quelle est l'intensité du rayonnement à n'importe quel moment donné. Ils ne peuvent pas se contenter de capteurs qui indiquent seulement la quantité totale de radiations après une expérience ; ils ont besoin d'un flux en direct, d'un flux constant de données qui montre comment la puissance du réacteur augmente et diminue en temps réel. Pour ce faire, ils utilisent de minuscules dispositifs appelés détecteurs de fission à micro-poches. Ces capteurs fonctionnent comme des chambres d'ionisation miniatures. À l'intérieur de chacun d'eux se trouve une couche très mince d'uranium spécial, posée sur un disque de platine, entourée d'une petite poche de gaz. Lorsqu'un neutron frappe un atome de cette couche d'uranium, il divise l'atome. Cette division libère deux fragments à haute vitesse. Un fragment reste coincé dans le disque métallique, mais l'autre s'envole dans la poche de gaz, arrachant des électrons aux atomes de gaz et créant une minuscule étincelle électrique. En comptant ces étincelles, le capteur peut dire aux chercheurs exactement combien de neutrons passent par seconde.

Pour que ce capteur fonctionne parfaitement, la couche d'uranium doit avoir l'épaisseur juste. Si la couche est trop mince, il n'y a pas assez d'atomes d'uranium pour capturer suffisamment de neutrons afin de produire un signal mesurable. Si elle est trop épaisse, les fragments provenant des atomes situés profondément dans la couche sont arrêtés par l'uranium lui-même avant de pouvoir atteindre le gaz, et le signal est perdu. Le point idéal pour ces capteurs est une masse d'uranium comprise entre 0,3 et 1,0 microgramme. Il s'agit d'une quantité incroyablement petite, environ le poids d'un seul grain de poussière, pourtant elle doit être déposée avec une précision extrême sur un disque de quelques millimètres de large. Le défi consiste à déposer cette quantité infime et précise d'uranium hautement enrichi sur le capteur sans gaspiller de matière ni créer une couche irrégulière ou trop épaisse.

Une équipe de chercheurs de l'Idaho National Laboratory s'est donné pour mission de résoudre ce problème en testant deux manières différentes de construire ces couches d'uranium. Ils voulaient trouver la meilleure méthode pour revêtir des disques de platine avec 93 % d'uranium hautement enrichi, un matériau choisi parce que sa haute concentration en isotope fissile uranium-235 rend les capteurs beaucoup plus sensibles, même avec une masse totale aussi petite. L'équipe a comparé deux techniques : une qui balaie la tension électrique d'avant en arrière sur le disque, et une autre qui maintient la tension constante à un niveau unique. Ils ont également développé une nouvelle méthode stricte pour peser l'uranium après son dépôt, en utilisant deux outils scientifiques différents pour s'assurer de l'exactitude de leurs mesures.

Les chercheurs ont commencé par préparer une solution liquide contenant l'uranium et en contrôlant soigneusement son acidité. Ils ont découvert que le niveau d'acidité était critique ; si le liquide était trop acide, l'uranium se dissolvait à nouveau dans la solution, mais s'il était trop basique, il formait des amas qui ne colleraient pas au disque. En maintenant l'acidité à un niveau neutre spécifique, ils ont créé un environnement stable pour que l'uranium se dépose sur le platine. Ils ont ensuite appliqué les deux méthodes électriques différentes pour voir laquelle permettait de déposer l'uranium plus efficacement. La première méthode, qui consistait à faire varier rapidement la tension électrique, avait été utilisée auparavant pour de plus petites quantités d'uranium, mais l'équipe voulait voir si elle pouvait gérer les quantités plus importantes nécessaires pour ces nouveaux capteurs. La seconde méthode, qui maintenait la tension constante, était une approche plus directe qu'ils espéraient plus rapide et plus constante pour construire la couche.

Alors qu'ils menaient les expériences, ils observaient comment l'uranium s'accumulait sur les disques. La méthode qui balayait la tension d'avant en arrière fonctionnait, mais elle avait une limite. À mesure qu'ils ajoutaient des couches en effectuant plus de cycles, le taux auquel le nouvel uranium collait au disque diminuait considérablement. C'était comme si la surface devenait encombrée, rendant plus difficile pour de nouveaux atomes de trouver une place où se poser. En revanche, la méthode qui maintenait la tension constante était beaucoup plus efficace pour construire la masse. Elle déposait l'uranium à un rythme plus rapide et continuait de le faire pendant des périodes plus longues sans heurter le même mur de rendements décroissants. L'équipe a constaté qu'en utilisant la méthode de tension constante et en arrêtant le processus au moment opportun, ils pouvaient créer de manière fiable des couches tombant dans la plage cible de 0,3 à 1,0 microgramme.

Pour être absolument sûrs de leurs résultats, l'équipe ne s'est pas contentée de faire confiance aux données électriques du processus de dépôt. Ils ont utilisé deux méthodes indépendantes pour peser l'uranium une fois sur le disque. La première méthode consistait à mesurer la radioactivité naturelle d'un isotope spécifique, l'uranium-234, qui est présent dans le matériau selon un ratio fixe par rapport à l'uranium-235 principal. En comptant les particules alpha émises par cet isotope, ils pouvaient calculer la masse totale de l'uranium. La seconde méthode consistait à dissoudre un petit morceau de l'uranium et à l'analyser avec une machine qui sépare les atomes selon leur poids. Cette seconde méthode servait de vérification pour confirmer la première.

Les résultats ont montré que la méthode de tension constante était la grande gagnante pour la création de ces capteurs. Elle produisait des couches constantes proches de la masse cible, et la signature isotopique de l'uranium restait intacte, ce qui signifie que le processus n'avait pas altéré la composition chimique du matériau. Cependant, l'équipe a également découvert une petite mais importante divergence entre leurs deux méthodes de pesée. La méthode comptant la radioactivité mesurait systématiquement une masse légèrement inférieure à celle de la méthode pesant les atomes dissous. Les chercheurs ont examiné cet écart attentivement. Ils ont observé la forme des signaux d'énergie des comptages radioactifs et n'ont trouvé aucun signe indiquant que la couche d'uranium était trop épaisse pour laisser les particules s'échapper, ce qui aurait conduit la méthode de radioactivité à sous-estimer la masse. Au lieu de cela, ils ont conclu que la différence provenait probablement d'un petit problème de calibrage de l'équipement utilisé pour compter la radioactivité, plutôt que d'un problème avec la couche d'uranium elle-même.

Cette étude confirme que la méthode de tension constante est un moyen fiable de construire les couches d'uranium ultra-fines nécessaires aux détecteurs de neutrons avancés. Elle offre une voie claire pour fabriquer des capteurs capables de survivre à l'environnement hostile à l'intérieur d'un réacteur de recherche et de fournir les données en temps réel dont les scientifiques ont besoin pour comprendre le comportement du combustible nucléaire. Bien que l'équipe n'ait pas testé les capteurs à l'intérieur d'un réacteur réel dans le cadre de cette étude spécifique, le processus de fabrication est désormais prouvé pour créer le bon type de matériau. La prochaine étape consistera à placer ces capteurs dans le réacteur pour voir comment ils se comportent en conditions réelles, mais les fondations de ce travail sont désormais solidement établies. Les chercheurs ont démontré qu'avec un contrôle minutieux de la chimie et la bonne technique électrique, il est possible de construire ces outils microscopiques de haute précision qui aideront à faire fonctionner les réacteurs de recherche de manière sûre et efficace.