Electrodeposition of Highly Enriched Uranium Thin Films for Advanced Fission Detectors

No coração de um reator de pesquisa, onde os nêutrons voam em uma tempestade caótica e as temperaturas sobem, os cientistas precisam saber exatamente quão intensa é a radiação em qualquer dado momento. Eles não podem confiar em sensores que apenas lhes dizem a quantidade total de radiação após um experimento terminado; eles precisam de um feed ao vivo, um fluxo constante de dados que mostre como a potência do reator sobe e desce em tempo real. Para conseguir isso, eles utilizam dispositivos minúsculos chamados detectores de fissão de microbolso. Esses sensores funcionam como câmaras de ionização em miniatura. Dentro de cada um deles há uma camada muito fina de urânio especial, situada sobre um disco de platina, cercada por uma pequena bolsa de gás. Quando um nêutron atinge um átomo nessa camada de urânio, ele divide o átomo. Essa divisão libera dois fragmentos de alta velocidade. Um fragmento fica preso no disco metálico, mas o outro voa para a bolsa de gás, arrancando elétrons dos átomos de gás e criando uma minúscula faísca elétrica. Ao contar essas faíscas, o sensor pode dizer aos pesquisadores exatamente quantos nêutrons estão passando por ali a cada segundo.

Para que este sensor funcione perfeitamente, a camada de urânio deve ter a espessura exata. Se a camada for muito fina, não haverá átomos de urânio suficientes para capturar nêutrons o bastante para gerar um sinal mensurável. Se for muito espessa, os fragmentos de átomos no interior da camada serão detidos pelo próprio urânio antes de chegarem ao gás, e o sinal será perdido. O ponto ideal para esses sensores é uma massa de urânio entre 0,3 e 1,0 microgramas. Esta é uma quantidade incrivelmente pequena, aproximadamente o peso de um único grão de poeira, mas deve ser depositada com extrema precisão sobre um disco de apenas alguns milímetros de largura. O desafio é colocar essa quantidade minúscula e precisa de urânio altamente enriquecido no sensor sem desperdiçar material ou criar uma camada irregular ou excessivamente espessa.

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional de Idaho estabeleceu o objetivo de resolver este problema testando duas maneiras diferentes de construir essas camadas de urânio. Eles queriam encontrar o melhor método para revestir discos de platina com 93% de urânio altamente enriquecido, um material escolhido porque sua alta concentração do isótopo fissível urânio-235 torna os sensores muito mais sensíveis, mesmo com uma massa total tão pequena. A equipe comparou duas técnicas: uma que varre a voltagem elétrica de um lado para o outro sobre o disco, e outra que mantém a voltagem constante em um único nível. Eles também desenvolveram uma nova forma rigorosa de pesar o urânio após a sua deposição, usando duas ferramentas científicas diferentes para garantir que suas medições fossem precisas.

Os pesquisadores começaram preparando uma solução líquida contendo o urânio e controlando cuidadosamente sua acidez. Eles descobriram que o nível de acidez era crítico; se o líquido fosse muito ácido, o urânio se dissolveria de volta na solução, mas se fosse muito básico, formaria aglomerados que não grudariam no disco. Ao manter a acidez em um nível neutro específico, eles criaram um ambiente estável para o urânio se assentar sobre a platina. Eles então aplicaram os dois métodos elétricos diferentes para ver qual deles depositava o urânio de forma mais eficiente. O primeiro método, que envolvia a mudança rápida da voltagem elétrica, já havia sido usado anteriormente para quantidades menores de urânio, mas a equipe queria ver se ele poderia lidar com as quantidades maiores necessárias para estes novos sensores. O segundo método, que mantinha a voltagem constante, era uma abordagem mais direta que eles esperavam que construísse a camada de forma mais rápida e consistente.

Enquanto realizavam os experimentos, eles observavam como o urânio se acumulava nos discos. O método que variava a voltagem funcionava, mas tinha um limite. À medida que adicionavam mais camadas executando mais ciclos, a taxa de acúmulo de novo urânio no disco diminuía significativamente. Era como se a superfície estivesse ficando lotada, tornando mais difícil para novos átomos encontrarem um lugar para pousar. Em contraste, o método que mantinha a voltagem constante era muito mais eficaz na construção da massa. Ele depositava urânio a uma taxa mais rápida e continuava a fazê-lo por períodos mais longos sem atingir o mesmo obstáculo de retornos decrescentes. A equipe descobriu que, ao usar o método de voltagem constante e interromper o processo no momento exato, poderiam criar de forma confiável camadas que caísam dentro da faixa alvo de 0,3 a 1,0 microgramas.

Para ter absoluta certeza de seus resultados, a equipe não confiou apenas nos dados elétricos do processo de deposição. Eles utilizaram dois métodos independentes para pesar o urânio após ele estar no disco. O primeiro método envolveu medir a radioatividade natural de um isótopo específico, o urânio-234, que está presente no material em uma proporção fixa em relação ao urânio-235 principal. Ao contar as partículas alfa emitidas por esse isótopo, eles puderam calcular a massa total do urânio. O segundo método envolveu dissolver um pequeno pedaço do urânio e analisá-lo com uma máquina que separa os átomos pelo seu peso. Este segundo método serviu como uma verificação para confirmar o primeiro.

Os resultados mostraram que o método de voltagem constante foi o vencedor claro para a criação desses sensores. Ele produziu camadas consistentes que estavam próximas da massa alvo, e a assinatura isotópica do urânio permaneceu intacta, o que significa que o processo não alterou a composição química do material. No entanto, a equipe também descobriu uma pequena, mas importante, discrepância entre seus dois métodos de pesagem. O método que contava a radioatividade media consistentemente uma massa ligeiramente menor do que o método que pesava os átomos dissolvidos. Os pesquisadores investigaram essa lacuna cuidadosamente. Eles examinaram a forma dos sinais de energia das contagens radioativas e não encontraram sinais de que a camada de urânio fosse espessa demais para permitir que as partículas escapassem, o que teria feito o método de radioatividade subestimar a massa. Em vez disso, concluíram que a diferença provavelmente vinha de um pequeno problema de calibração no equipamento usado para contar a radioatividade, e não de um problema com a própria camada de urânio.

Este estudo confirma que o método de voltagem constante é uma maneira confiável de construir as camadas de urânio ultrafinas necessárias para detectores de nêutrons avançados. Ele fornece um caminho claro para fabricar sensores que possam sobreviver ao ambiente severo dentro de um reator de pesquisa e fornecer os dados em tempo real de que os cientistas precisam para entender como o combustível nuclear se comporta. Embora a equipe não tenha testado os sensores dentro de um reator real como parte deste estudo específico, o processo de fabricação está agora comprovado para criar o tipo certo de material. O próximo passo será colocar esses sensores dentro do reator para ver como eles performam sob condições reais, mas a base para esse trabalho foi firmemente estabelecida. Os pesquisadores demonstraram que, com o controle cuidadoso da química e a técnica elétrica correta, é possível construir essas ferramentas microscópicas de alta precisão que ajudarão a manter os reatores de pesquisa operando de forma segura e eficiente.