Electrodeposition of Highly Enriched Uranium Thin Films for Advanced Fission Detectors

연구용 원자로의 심장부 내부, 중성자들이 혼돈의 폭풍처럼 날아다니고 온도가 치솟는 그곳에서, 과학자들은 어느 순간에나 방사선 강도가 정확히 어느 정도인지 알아야 합니다. 그들은 실험이 끝난 후의 총 방사량만을 알려주는 센서에 의존할 수 없습니다. 그들에게는 원자로의 출력이 상승하고 하락하는 모습을 실시간으로 보여주는 라이브 피드, 즉 지속적인 데이터 스트림이 필요합니다. 이를 위해 그들은 마이크로 포켓 핵분열 검출기라고 불리는 아주 작은 장치들을 사용합니다. 이 센서들은 미세한 이온화실처럼 작동합니다. 각 센서 내부에는 백금 디스크 위에 놓인 매우 얇은 우라늄 층이 작은 가스 포켓에 둘러싸여 있습니다. 중성자가 그 우라늄 층의 원자와 충돌하면, 원자를 쪼개어 버립니다. 이 분열은 두 개의 고속 파편을 방출합니다. 한 파편은 금속 디스크에 박히지만, 다른 하나는 가스 포켓으로 날아가 가스 원자들로부터 전자를 튕겨내며 미세한 전기 스파크를 일으킵니다. 이 스파크의 수를 세는 것으로, 센서는 연구자들에게 매초 얼마나 많은 중성자가 지나가는지를 정확히 알려줄 수 있습니다.

이 센서가 완벽하게 작동하려면 우라늄 층의 두께가 아주 적절해야 합니다. 만약 층이 너무 얇으면, 측정 가능한 신호를 만들 만큼 충분한 중성자를 포착할 우라늄 원자가 부족해집니다. 만약 층이 너무 두꺼우면, 층 깊숙한 곳에 있는 원자들로부터 나온 파편들이 가스에 도달하기 전에 우라늄 자체에 의해 차단되어 신호가 소실됩니다. 이 센서들의 최적의 지점은 0.3에서 1.0 마이크로그램 사이의 우라늄 질량입니다. 이는 대략 먼지 한 알의 무게와 같은 믿기 힘들 정도로 작은 양이지만, 불과 몇 밀리미터 너비의 디스크 위에 극도로 정밀하게 증착되어야 합니다. 과제는 이 작고 정밀한 양의 고농축 우라늄을 재료를 낭비하거나 층이 불균일하거나 너무 두꺼워지지 않게 하면서 센서 위에 올리는 것입니다.

아이다호 국립 연구소의 연구진은 이러한 우라늄 층을 만드는 두 가지 방법을 테스트함으로써 이 문제를 해결하고자 했습니다. 그들은 백금 디스크에 93% 고농축 우라늄을 코팅하는 가장 좋은 방법을 찾고자 했습니다. 이 물질은 핵분열성 동위원소인 우라늄-235의 농도가 높아, 이렇게 아주 적은 총 질량으로도 센서를 훨씬 더 민감하게 만들기 위해 선택되었습니다. 연구팀은 두 가지 기술을 비교했습니다. 하나는 디스크 위로 전압을 앞뒤로 훑는 방식이고, 다른 하나는 전압을 단일 수준으로 일정하게 유지하는 방식입니다. 또한 그들은 우라늄이 증착된 후 이를 무게를 재는 엄격하고 새로운 방법을 개발했으며, 측정의 정확성을 보장하기 위해 두 가지 서로 다른 과학적 도구를 사용했습니다.

연구진은 우라늄을 포함한 액체 용액을 준비하고 그 산도를 세심하게 조절하는 것으로 시작했습니다. 그들은 산도 수준이 결정적이라는 것을 발견했습니다. 만약 액체가 너무 산성이면 우라늄이 용액 속으로 다시 녹아버리고, 너무 염기성이면 디스크에 달라붙지 않는 덩어리를 형성하게 됩니다. 산도를 특정 중성 수준으로 유지함으로써, 그들은 우라늄이 백금 위에 안착할 수 있는 안정적인 환경을 만들었습니다. 그런 다음 그들은 두 가지 서로 다른 전기적 방법을 적용하여 어떤 것이 우라늄을 더 효율적으로 증착하는지 확인했습니다. 전압을 빠르게 변화시키는 방식은 이전에 더 적은 양의 우라늄을 다룰 때 사용되었으나, 연구팀은 이것이 이 새로운 센서들에 필요한 더 많은 양의 우로를 처리할 수 있는지 확인하고 싶었습니다. 두 번째 방식인 전압을 일정하게 유지하는 방식은 더 직관적인 접근법이었으며, 그들은 이것이 층을 더 빠르고 일관되게 쌓아 올릴 수 있기를 희망했습니다.

실험을 진행하면서, 그들은 우라늄이 디스크에 축적되는 과정을 관찰했습니다. 전압을 앞뒤로 훑는 방식은 작동은 했지만 한계가 있었습니다. 더 많은 사이클을 실행하여 층을 추가할수록, 새로운 우라늄이 디스크에 달라붙는 속도가 현저히 느려졌습니다. 마치 표면이 너무 붐벼서 새로운 원자들이 내려앉을 자리를 찾기가 어려워진 것 같았습니다. 반면, 전압을 일정하게 유지하는 방식은 질량을 쌓아 올리는 데 훨씬 효과적이었습니다. 이 방식은 더 빠른 속도로 우라늄을 증착했을 뿐만 아니라, 동일한 한계점에 부딪히지 않고 더 오랜 시간 동안 증착을 지속했습니다. 연구팀은 일정한 전압을 사용하는 방식을 통해 적절한 순간에 과정을 멈춤으로써, 목표 범위인 0.3에서 1.0 마이크로그램 내에 떨어지는 층을 안정적으로 만들 수 있다는 것을 발견했습니다.

결과의 확실성을 기하기 위해, 연구팀은 단순히 증착 과정의 전기적 데이터만을 신뢰하지 않았습니다. 그들은 디스크 위에 있는 우라늄의 무게를 재기 위해 두 가지 독립적인 방법을 사용했습니다. 첫 번째 방법은 주요 성분인 우라늄-235와 일정한 비율로 존재하는 특정 동위원소인 우라늄-234의 자연 방사능을 측정하는 것이었습니다. 이 동위원소에서 방출되는 알파 입자를 세는 방식으로 전체 우라늄의 질량을 계산할 수 있었습니다. 두 번째 방법은 우라늄의 작은 조각을 녹여 원자량을 기준으로 원자를 분리하는 기계로 분석하는 것이었습니다. 이 두 번째 방법은 첫 번째 방법을 확인하는 검증용으로 사용되었습니다.

결과는 일정한 전압 방식이 이러한 센서를 만드는 데 있어 명백한 승자임을 보여주었습니다. 이 방식은 목표 질량에 근접한 일관된 층을 만들어냈으며, 우라늄의 동위원소 특징이 그대로 유지되었다는 것은 증착 과정이 재료의 화학적 구성을 변화시키지 않았음을 의미합니다. 그러나 연구팀은 두 가지 무게 측정 방법 사이에서 작지만 중요한 차이를 발견했습니다. 방사능을 세는 방식이 녹인 원자를 무게로 재는 방식보다 지속적으로 약간 적은 질량을 측정했습니다. 연구진은 이 격차를 면밀히 조사했습니다. 그들은 방사능 계측의 에너지 신호 형태를 조사했고, 우라늄 층이 너무 두꺼워 입자가 빠져나오지 못해 방사능 방식이 질량을 과소평가했을 가능성은 없다는 것을 확인했습니다. 대신, 그들은 이 차이가 우라늄 층 자체의 문제가 아니라 방사능을 측정하는 장비의 작은 교정 문제에서 기인했을 가능성이 높다고 결론지었습니다.

이 연구는 일정한 전압 방식이 첨단 중성자 검출기에 필요한 초박형 우라늄 층을 구축하는 신뢰할 수 있는 방법임을 확인해 줍니다. 이는 연구용 원자로 내부의 가혹한 환경에서 생존하며, 과학자들이 핵연료의 거동을 이해하는 데 필요한 실시간 데이터를 제공할 수 있는 센서를 제작하는 명확한 경로를 제공합니다. 비록 팀이 이 특정 연구의 일환으로 실제 원자로 내부에서 센서를 테스트하지는 않았지만, 제조 공정은 적절한 종류의 재료를 만들어낸다는 것이 입증되었습니다. 다음 단계는 이 센서들을 실제 조건에서 어떻게 수행하는지 보기 위해 원자로에 넣는 것이지만, 그 작업을 위한 토대는 확고하게 마련되었습니다. 연구진은 화학적 제어와 적절한 전기적 기술을 결합하면, 연구용 원자로를 안전하고 효율적으로 운영하는 데 도움이 될 미세하고 정밀한 도구들을 제작할 수 있음을 보여주었습니다.