Electrodeposition of Highly Enriched Uranium Thin Films for Advanced Fission Detectors

एक अनुसंधान रिएक्टर के हृदय के भीतर, जहाँ न्यूट्रॉन एक अराजक तूफान की तरह उड़ रहे होते हैं और तापमान बहुत अधिक होता है, वैज्ञानिकों को यह जानने की आवश्यकता होती है कि किसी भी क्षण विकिरण कितना तीव्र है। वे उन सेंसरों पर भरोसा नहीं कर सकते जो उन्हें प्रयोग समाप्त होने के बाद केवल विकिरण की कुल मात्रा बताते हैं; उन्हें एक लाइव फीड की आवश्यकता है, डेटा का एक निरंतर प्रवाह जो वास्तविक समय में रिएक्टर की शक्ति के बढ़ने और घटने को दर्शाता हो। इसे प्राप्त करने के लिए, वे माइक्रो-पॉकेट विखंडन डिटेक्टर (micro-pocket fission detectors) नामक सूक्ष्म उपकरणों का उपयोग करते हैं। ये सेंसर लघु आयनीकरण कक्षों (ionization chambers) की तरह कार्य करते हैं। प्रत्येक के भीतर प्लैटिनम डिस्क पर स्थित यूरेनियम की एक बहुत पतली परत होती है, जो गैस की एक छोटी सी पॉकेट से घिरी होती है। जब एक न्यूट्रॉन उस यूरेनियम परत के परमाणु से टकराता है, तो वह परमाणु को विभाजित कर देता है। यह विभाजन दो उच्च-गति वाले टुकड़ों (fragments) को बाहर भेजता है। एक टुकड़ा धातु की डिस्क में फंस जाता है, लेकिन दूसरा गैस की पॉकेट में उड़ जाता है, जिससे गैस के परमाणुओं से इलेक्ट्रॉन मुक्त हो जाते हैं और एक सूक्ष्म विद्युत चिंगारी उत्पन्न होती है। इन चिंगारियों को गिनकर, सेंसर वैज्ञानिकों को ठीक-ठीक बता सकता है कि प्रति सेकंड कितने न्यूट्रॉन वहां से गुजर रहे हैं।

इन सेंसरों के पूर्ण रूप से कार्य करने के लिए, यूरेनियम की परत की मोटाई बिल्कुल सही होनी चाहिए। यदि परत बहुत पतली है, तो इतने न्यूट्रॉन को पकड़ने के लिए पर्याप्त यूरेनियम परमाणु नहीं होंगे जिससे एक मापने योग्य संकेत बन सके। यदि यह बहुत मोटी है, तो परत के भीतर गहरे स्थित परमाणुओं से निकलने वाले टुकड़े यूरेनियम द्वारा ही रोक दिए जाएंगे, जिससे संकेत खो जाएगा। इन सेंसरों के लिए 'स्वीट स्पॉट' (सही संतुलन) 0.3 से 1.0 माइक्रोग्राम के बीच यूरेनियम का द्रव्यमान है। यह एक अविश्वसनीय रूप से छोटी मात्रा है, जो धूल के एक एकल कण के वजन के लगभग बराबर है, फिर भी इसे केवल कुछ मिलीमीटर चौड़ी डिस्क पर अत्यधिक सटीकता के साथ जमा किया जाना चाहिए। चुनौती इस सूक्ष्म, सटीक मात्रा में अत्यधिक समृद्ध यूरेनियम को बिना सामग्री बर्बाद किए या ऐसी परत बनाए बिना जो असमान या बहुत मोटी हो, सेंसर पर रखने की है।

इडाहो नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन यूरेनियम परतों को बनाने के दो अलग-अलग तरीकों का परीक्षण करके इस समस्या को हल करने का प्रयास किया। वे जानना चाहते थे कि प्लैटिनम डिस्क पर 93 प्रतिशत अत्यधिक समृद्ध यूरेनियम (highly enriched uranium) चढ़ाने का सबसे अच्छा तरीका क्या है; इस सामग्री को इसलिए चुना गया क्योंकि यूरेनियम-235 की उच्च सांद्रता इन सेंसरों को बहुत संवेदनशील बनाती है, भले ही कुल द्रव्यमान इतना कम क्यों न हो। टीम ने दो तकनीकों की तुलना की: एक जो डिस्क के ऊपर विद्युत वोल्टेज को आगे-पीछे घुमाती (sweeps) है, और दूसरी जो वोल्टेज को एक स्थिर स्तर पर बनाए रखती है। उन्होंने यूरेनियम को जमा करने के बाद इसके वजन को मापने के लिए एक सख्त नया तरीका भी विकसित किया, जिसमें उनकी माप को सटीक बनाने के लिए दो अलग-अलग वैज्ञानिक उपकरणों का उपयोग किया गया।

शोधकर्ताओं ने यूरेनियम युक्त एक तरल घोल तैयार करके शुरुआत की और उसके अम्लता (acidity) स्तर को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया। उन्होंने पाया कि अम्लता का स्तर महत्वपूर्ण था; यदि तरल बहुत अधिक अम्लीय था, तो यूरेनियम वापस घोल में घुल जाएगा, लेकिन यदि यह बहुत क्षारीय (basic) था, तो यह गुच्छे बना देगा जो डिस्क पर नहीं चिपक पाएंगे। अम्लता को एक विशिष्ट, तटस्थ स्तर पर रखकर, उन्होंने प्लैटिनम पर यूरेनियम को जमने के लिए एक स्थिर वातावरण बनाया। इसके बाद उन्होंने यह देखने के लिए दो अलग-अलग विद्युत विधियों को लागू किया कि कौन सी विधि यूरेनियम को अधिक कुशलता से जमा सकती है। पहली विधि, जिसमें वोल्टेज को तेजी से बदला जाता था, का उपयोग पहले यूरेनियम की कम मात्राओं के लिए किया गया था, लेकिन टीम यह देखना चाहती थी कि क्या यह इन नए सेंसरों के लिए आवश्यक बड़ी मात्राओं को संभाल सकती है। दूसरी विधि, जो वोल्टेज को स्थिर रखती थी, एक अधिक सीधा दृष्टिकोण था जिसे वे उम्मीद कर रहे थे कि यह परत को अधिक तेज़ी से और लगातार बनाएगा।

जैसे-जैसे उन्होंने प्रयोग चलाए, उन्होंने देखा कि डिस्क पर यूरेनियम कैसे जमा हो रहा है। वह विधि जिसने वोल्टेज को आगे-पीछे घुमाया, वह काम तो करती थी, लेकिन उसकी एक सीमा थी। जैसे-जैसे उन्होंने अधिक चक्र चलाकर अधिक परतें जोड़ीं, डिस्क पर नया यूरेनियम जमा होने की दर काफी धीमी हो गई। ऐसा लग रहा था जैसे सतह भर गई है, जिससे नए परमाणुओं के लिए उतरने के लिए जगह ढूंढना कठिन हो गया है। इसके विपरीत, स्थिर वोल्टेज वाली विधि द्रव्यमान बनाने में बहुत अधिक प्रभावी थी। इसने अधिक तेज़ी से और लंबे समय तक बिना किसी घटते लाभ (diminishing returns) की बाधा के यूरेनियम जमा किया। टीम ने पाया कि स्थिर वोल्टेज विधि का उपयोग करके और प्रक्रिया को बिल्कुल सही समय पर रोककर, वे विश्वसनीय रूप से ऐसी परतें बना सकते हैं जो 0.3 से 1.0 माइक्रोग्राम की लक्षित सीमा के भीतर आती हैं।

अपने परिणामों के प्रति पूरी तरह आश्वस्त होने के लिए, टीम ने केवल जमाव प्रक्रिया के विद्युत डेटा पर भरोसा नहीं किया। उन्होंने डिस्क पर मौजूद यूरेनियम को तौलने के लिए दो स्वतंत्र विधियों का उपयोग किया। पहली विधि में एक विशिष्ट आइसोटोप, यूरेनियम-234 की प्राकृतिक रेडियोधर्मिता को मापना शामिल था, जो मुख्य यूरेनियम-235 के अनुपात में एक निश्चित मात्रा में मौजूद होता है। इस आइसोटोप द्वारा उत्सर्जित अल्फा कणों को गिनकर, वे यूरेनियम के कुल द्रव्यमान की गणना कर सकते थे। दूसरी विधि में यूरेनियम के एक छोटे से हिस्से को घोलना और उसे परमाणुओं को उनके भार के आधार पर अलग करने वाली मशीन से विश्लेषित करना शामिल था। इस दूसरी विधि ने पहले की पुष्टि करने के लिए एक जांच (check) के रूप में कार्य किया।

परिणामों ने दिखाया कि स्थिर वोल्टेज विधि इन सेंसरों को बनाने के लिए स्पष्ट विजेता थी। इसने सुसंगत परतें बनाईं जो लक्षित द्रव्यमान के करीब थीं, और यूरेनियम का आइसोटोपिक हस्ताक्षर बरकरार रहा, जिसका अर्थ है कि प्रक्रिया ने सामग्री की रासायनिक संरचना को नहीं बदला। हालांकि, टीम ने अपने दो तौलने के तरीकों के बीच एक छोटा लेकिन महत्वपूर्ण अंतर भी पाया। रेडियोधर्मिता को गिनने वाली विधि ने लगातार परमाणु भार वाली विधि की तुलना में थोड़ा कम द्रव्यमान मापा। शोधकर्ताओं ने इस अंतर की सावधानीपूर्वक जांच की। उन्होंने रेडियोधर्मिटी गणनाओं के ऊर्जा संकेतों के आकार का अध्ययन किया और पाया कि यूरेनियम की परत इतनी मोटी नहीं थी कि कण बाहर निकलने से रुक जाएं, जिससे रेडियोधर्मिता विधि द्रव्यमान को कम आंकती। इसके बजाय, उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि यह अंतर संभवतः उपकरण में एक छोटी सी अंशांकन (calibration) समस्या के कारण आया, न कि स्वयं यूरेनियम की परत की समस्या के कारण।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि स्थिर वोल्टेज विधि उन्नत न्यूट्रॉन डिटेक्टरों के लिए आवश्यक अत्यंत पतली यूरेनियम परतों को बनाने का एक विश्वसनीय तरीका है। यह उन सेंसरों को बनाने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जो अनुसंधान रिएक्टर के भीतर कठोर वातावरण में जीवित रह सकें और वैज्ञानिकों को परमाणु ईंधन के व्यवहार को समझने के लिए वास्तविक समय का डेटा प्रदान कर सकें। हालांकि टीम ने इस विशिष्ट अध्ययन के हिस्से के रूप में वास्तविक रिएक्टर के भीतर इन सेंसरों का परीक्षण नहीं किया, लेकिन निर्माण प्रक्रिया अब इस प्रकार की सामग्री बनाने के लिए सिद्ध हो चुकी है। अगला कदम इन सेंसरों को रिएक्टर में रखना होगा ताकि यह देखा जा सके कि वे वास्तविक परिस्थितियों में कैसा प्रदर्शन करते हैं, लेकिन उसके लिए आधार मजबूती से रख दिया गया है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि रसायन विज्ञान पर सावधानीपूर्वक नियंत्रण और सही विद्युत तकनीक के साथ, इन सूक्ष्म, उच्च-परिशुद्धता वाले उपकरणों का निर्माण करना संभव है जो अनुसंधान रिएक्टरों को सुरक्षित और कुशलता से चलाने में मदद करेंगे।