Electrodeposition of Highly Enriched Uranium Thin Films for Advanced Fission Detectors

Nel cuore di un reattore di ricerca, dove i neutroni volano in una tempesta caotica e le temperature si alzano vertiginosamente, gli scienziati hanno bisogno di sapere esattamente quanto sia intensa la radiazione in ogni dato momento. Non possono fare affidamento su sensori che indicano solo la quantità totale di radiazione una volta terminato un esperimento; hanno bisogno di un feed live, un flusso costante di dati che mostri l'aumento e la diminuzione della potenza del reattore in tempo reale. Per ottenere questo, utilizzano minuscoli dispositivi chiamati micro-pocket fission detectors (rilevatori di fissione a micro-tasca). Questi sensori funzionano come miniature camere di ionizzazione. All'interno di ciascuno si trova uno strato molto sottile di uranio speciale, posto su un disco di platino, circondato da una piccola tasca di gas. Quando un neutrone colpisce un atomo in quello strato di uranio, lo spacca. Questa scissione rilascia due frammenti ad alta velocità. Un frammento rimane bloccato nel disco metallico, ma l'altro vola nella tasca di gas, staccando elettroni dagli atomi di gas e creando una minuscola scintilla elettrica. Contando queste scintille, il sensore può dire ai ricercatori esattamente quanti neutroni passano ogni secondo.

Affinché questo sensore funzioni perfettamente, lo strato di uranio deve avere lo spessore giusto. Se lo strato è troppo sottile, non ci sono abbastanza atomi di uranio per catturare abbastanza neutroni da generare un segnale misurabile. Se lo strato è troppo spesso, i frammenti provenienti dagli atomi situati in profondità nello strato vengono fermati dall'uranio stesso prima di raggiungere il gas, e il segnale viene perso. Il punto di equilibrio per questi sensori è una massa di uranio compresa tra 0,3 e 1,0 microgrammi. Si tratta di una quantità incredibilmente piccola, circa il peso di un singolo granello di polvere, eppure deve essere depositata con estrema precisione su un disco largo solo pochi millimetri. La sfida consiste nel porre questa quantità minuscola e precisa di uranio altamente arricchito sul sensore senza sprecare materiale o creare uno strato non uniforme o troppo spesso.

Un team di ricercatori dell'Idaho National Laboratory si è posto l'obiettivo di risolvere questo problema testando due diversi modi per costruire questi strati di uranio. Volevano trovare il metodo migliore per rivestire i dischi di platino con il 93% di uranio altamente arricchito, un materiale scelto perché l'alta concentrazione del suo isotopo fissionabile, l'uranio-235, rende i sensori molto più sensibili, anche con una massa totale così piccola. Il team ha confrontato due tecniche: una che spazza la tensione elettrica avanti e indietro sul disco, e un'altra che mantiene la tensione costante a un singolo livello. Hanno anche sviluppato un nuovo metodo rigoroso per pesare l'uranio dopo che è stato depositato, utilizzando due diversi strumenti scientifici per garantire l'accuratezza delle loro misurazioni.

I ricercatori hanno iniziato preparando una soluzione liquida contenente l'uranio e controllando attentamente la sua acidità. Hanno scoperto che il livello di acidità era critico; se il liquido era troppo acido, l'uranio si sarebbe sciolto nuovamente nella soluzione, ma se era troppo basico, avrebbe formato grumi che non sarebbero rimasti attaccati al disco. Mantenendo l'acidità a un livello specifico e neutro, hanno creato un ambiente stabile affinché l'uranio si depositasse sul platino. Hanno poi applicato i due diversi metodi elettrici per vedere quale fosse più efficiente nel depositare l'uranio. Il primo metodo, che consisteva nel variare rapidamente la tensione elettrica, era già stato utilizzato in precedenza per quantità minori di uranio, ma il team voleva vedere se potesse gestire le quantità maggiori necessarie per questi nuovi sensori. Il secondo metodo, che manteneva la tensione costante, era un approccio più diretto che speravano potesse costruire lo strato più velocemente e in modo più costante.

Mentre conducevano gli esperimenti, osservavano come l'uranio si accumulava sui dischi. Il metodo che faceva oscillare la tensione avanti e indietro funzionava, ma aveva un limite. Man mano che aggiungevano nuovi strati eseguendo più cicli, il tasso di accumulo del nuovo uranio sul disco rallentava significativamente. Era come se la superficie fosse diventata affollata, rendendo più difficile per i nuovi atomi trovare un posto dove posarsi. Al contrario, il metodo che manteneva la tensione costante era molto più efficace nel costruire la massa. Depositava l'uranio a un ritmo più veloce e continuava a farlo per periodi più lunghi senza incontrare lo stesso muro di rendimenti decrescenti. Il team ha scoperto che utilizzando il metodo della tensione costante e interrompendo il processo al momento giusto, potevano creare in modo affidabile strati che rientravano nell'intervallo target di 0,3 - 1,0 microgrammi.

Per essere assolutamente certi dei loro risultati, il team non si è limitato a fidarsi dei dati elettrici del processo di deposizione. Hanno utilizzato due metodi indipendenti per pesare l'uranio una volta depositato sul disco. Il primo metodo consisteva nel misurare la radioattività naturale di un isotopo specifico, l'uranio-234, che è presente nel materiale in un rapporto fisso rispetto all'uranio-235 principale. Contando le particelle alfa emesse da questo isotopo, potevano calcolare la massa totale dell'uranio. Il secondo metodo prevedeva di sciogliere un piccolo pezzo di uranio e analizzarlo con una macchina che separa gli atomi in base al loro peso. Questo secondo metodo serviva come controllo per confermare il primo.

I risultati hanno mostrato che il metodo della tensione costante era il vincitore netto per la creazione di questi sensori. Produceva strati coerenti vicini alla massa target e la firma isotopica dell'uranio rimaneva intatta, il che significa che il processo non aveva alterato la composizione chimica del materiale. Tuttavia, il team ha anche scoperto una piccola ma importante discrepanza tra i loro due metodi di pesatura. Il metodo che contava la radioattività misurava costantemente una massa leggermente inferiore rispetto al metodo che pesava gli atomi sciolti. I ricercatori hanno investigato attentamente questo divario. Hanno esaminato la forma dei segnali energetici delle conte radioattive e non hanno riscontrato segni che lo strato di uranio fosse troppo spesso da impedire la fuoriuscita delle particelle, il che avrebbe portato il metodo della radioattività a sottostimare la massa. Invece, hanno concluso che la differenza derivava probabilmente da un piccolo problema di calibrazione dell'apparecchiatura utilizzata per il conteggio della radioattività, piuttosto che da un problema dello strato di uranio stesso.

Questo studio conferma che il metodo della tensione costante è un modo affidabile per costruire gli strati ultra-sottili di uranio necessari per i sensori di neutroni avanzati. Fornisce un percorso chiaro per realizzare sensori in grado di sopravvivere all'ambiente ostile all'interno di un reattore di ricerca e fornire i dati in tempo reale necessari per comprendere il comportamento del combustibile nucleare. Sebbene il team non abbia testato i sensori all'interno di un reattore reale come parte di questo specifico studio, il processo di fabbricazione è ora dimostrato capace di creare il tipo di materiale corretto. Il passo successivo sarà inserire questi sensori nel reattore per vedere come si comportano in condizioni reali, ma le fondamenta per questo lavoro sono state gettate saldamente. I ricercatori hanno dimostrato che, con un controllo attento della chimica e la giusta tecnica elettrica, è possibile costruire questi strumenti microscopici ad alta precisione che aiuteranno a mantenere i reattori di ricerca operativi in modo sicuro ed efficiente.