Electrodeposition of Highly Enriched Uranium Thin Films for Advanced Fission Detectors

研究用原子炉の心臓部では、中性子が混沌とした嵐のように飛び交い、温度が急上昇する中で、科学者たちはいついかなる瞬間においても放射線の強さが正確にどの程度であるかを知る必要があります。彼らは、実験が終わった後に放射線の総量だけを教えてくれるようなセンサーに頼ることはできません。彼らが必要としているのは、リアクターの出力がどのように上昇し、下降するかをリアルタイムで示すライブフィード、すなわち絶え間ないデータのストリームです。これを得るために、彼らはマイクロポケット・フィッション・ディテクタと呼ばれる極めて小さな装置を使用しています。これらのセンサーは、小型の電離箱のように機能します。各センサーの内部には、プラチナのディスクの上に置かれた非常に薄いウランの層があり、その周囲を少量のガスが囲んでいます。中性子がそのウラン層内の原子に衝突すると、原子が分裂します。この分裂によって、2つの高速の破片が放出されます。一方の破片は金属ディスクに留まりますが、もう一方はガスのポケットへと飛び出し、ガスの原子から電子を叩き出し、小さな電気的な火花を生み出します。これらの火花の数を数えることで、センサーは研究者に対し、毎秒どれだけの中性子が通過しているかを正確に伝えることができるのです。

このセンサーが完璧に機能するためには、ウランの層がちょうど適切な厚さでなければなりません。もし層が薄すぎれば、中性子を捉えて測定可能な信号を作るのに十分な数のウラン原子が存在しません。もし層が厚すぎれば、層の深い場所にある原子から放出された破片が、ガスに到達する前にウラン自体によって阻止されてしまい、信号が失われてしまいます。これらのセンサーにとっての「スイートスポット」は、0.3から1.0マイクログラムの間のウラン質量です。これは、およそ塵の粒一個分ほどの重さという、信じられないほど微量な量ですが、わずか数ミリメートルの幅のディスク上に、極めて精密に堆積させなければなりません。課題は、この極めて小さく精密な量の高濃縮ウランを、材料を無駄にしたり、層を不均一にしたり、あるいは厚くしたりすることなく、センサー上に載せることです。

アイダホ国立研究所の研究チームは、これらのウラン層を作るための2つの異なる方法をテストすることで、この問題の解決に取り組みました。彼らは、93パーセントの高濃録ウラン（この材料が選ばれたのは、ウラン235という核分裂性同位体の濃度が高いことで、これほど微量な総質量であってもセンサーの感度を大幅に高められるためです）でプラチナディスクをコーティングするための最良の方法を見つけ出そうとしました。チームは、電圧をディスク上で前後に掃引（スウィープ）する方法と、電圧を一定のレベルに保持する方法という、2つの手法を比較しました。また、彼らは、ウランが堆積した後にその重さを測定するための、正確性を確保するための2つの異なる科学的ツールを用いた、厳格で新しい計量法も開発しました。

研究者たちはまず、ウランを含む液体溶液を調製し、その酸性度を注意深く制御することから始めました。彼らは、酸性度が極めて重要であることを発見しました。もし液体が酸性すぎれば、ウランは溶液中に再び溶け出してしまいますが、もし塩基性（アルカリ性）に寄りすぎれば、ディスクに付着しない塊が形成されてしまいます。酸性度を特定の中性レベルに保つことで、彼らはウランがプラチナの上に落ち着くための安定した環境を作り出しました。次に、どちらの電気的方法がより効率的にウランを堆積させられるかを確認するために、2つの異なる電気的方法を適用しました。第一の方法は、電圧を急速に変化させるもので、以前はより少ない量のウランに対して使用されてきましたが、チームはこれが新しいセンサーに必要なより多くの量のウランを扱えるかどうかを確認したいと考えました。第二の方法は、電圧を一定に保つもので、より直接的なアプローチであり、これにより層をより速く、より一貫して構築できることを彼らは期待していました。

実験を進める中で、彼らはディスク上にウランがどのように蓄積していくかを観察しました。電圧を前後に掃引する方法は機能しましたが、限界がありました。より多くのサイクルを実行して層を重ねるにつれて、新しいウランがディスクに付着する速度が著しく低下したのです。それはまるで、表面が混雑してしまい、新しい原子が着地できる場所を見つけるのが難しくなったかのようでした。対照的に、電圧を一定に保つ方法は、質量の蓄積において非常に効果的でした。この方法は、より速い速度でウランを堆積させ、収穫逓減の壁に突き当たることなく、より長い期間にわたって堆積を続けることができました。チームは、一定電圧法を用い、プロセスを適切なタイミングで停止させることで、目標範囲である0.3から1.0マイクログラムの範囲内に確実に収まる層を作成できることを見出しました。

結果を絶対的に確実なものにするため、チームは堆積プロセスにおける電気的なデータだけに頼ることはしませんでした。彼らは、ディスク上に載った後のウランの重さを量るために、2つの独立した方法を用いました。第一の方法は、主要なウラン235に対して一定の比率で存在する特定の同位体、ウラン234の自然放射能を測定することでした。この同位体から放出されるアルファ粒子を数えることで、ウランの総質量を計算することができました。第二の方法は、少量のウランを溶解し、原子をその重さによって分離する機械を用いて分析することでした。この第二の方法は、第一の方法を確認するためのチェックとして機能しました。

結果は、一定電圧法が、これらのセンサーを作成するための明確な勝者であることを示しました。それは、目標質量に近い一貫した層を生成し、ウランの同位体特性も維持されており、つまり、プロセスが材料の化学的構成を変化させなかったことを意味しています。しかし、チームはまた、彼らの2つの計量方法の間に、小さくも重要な相違があることも発見しました。放射能をカウントする方法は、溶解した原子を計量する方法よりも、一貫してわずかに少ない質量を測定していました。研究者たちは、この差を慎重に調査しました。彼らは、放射能カウントのエネルギー信号の形状を調べ、ウラン層が粒子を逃がすのに厚すぎるために放射能の方法が質量を過小評価しているという兆候がないことを確認しました。むしろ、彼らは、この差異はおそらく、ウラン層自体の問題ではなく、放射能をカウントする機器の小さな校正の問題に起因すると結論付けました。

この研究は、高度な中性子検出器に必要な極薄のウラン層を構築するための、一定電圧法が信頼できる方法であることを裏付けています。これは、研究用原子炉内の過酷な環境を生き抜き、科学者が核燃料の挙動を理解するために必要なリアルタイムのデータを提供するセンサーを作るための、明確な道筋を示すものです。今回の特定の研究において、チームはこれらのセンサーを実際の原子炉内でテストはしていませんが、製造プロセスは適切な種類の材料を作成できることが証明されました。次のステップは、これらのセンサーを原子炉に入れて、実際の条件下でどのように機能するかを確認することですが、そのための基礎はしっかりと築かれました。研究者たちは、化学を注意深く制御し、適切な電気的手法を用いることで、これらの微視的で高精度なツールを構築することが可能であることを示したのです。