Революционный транзистор Харди улучшает контроль безопасности ядерного реактора

Электроника и датчики INSIDER

Кайл Рид из ORNL возглавил группу испытаний нового выносливого транзистора, изготовленного ORNL, в бассейне реактора, пока он светится радиацией в лаборатории ядерных реакторов Университета штата Огайо. (Изображение:Майкл Хьюсон/Университет штата Огайо)

Безопасность и эффективность большого и сложного ядерного реактора можно повысить с помощью такого простого оборудования, как крошечный датчик, контролирующий систему охлаждения. Вот почему исследователи из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики работают над тем, чтобы сделать эти базовые датчики более точными, соединив их с электроникой, способной противостоять интенсивному излучению внутри реактора.

Исследовательская группа ORNL недавно добилась неожиданно большого успеха в использовании полупроводника из нитрида галлия для сенсорной электроники. Транзистор, изготовленный из этого материала, поддерживал работу вблизи активной зоны ядерного реактора, которым управляет исследовательский партнер Университета штата Огайо.

Нитрид галлия, полупроводник с широкой запрещенной зоной, ранее был протестирован на устойчивость к ионизирующему излучению, возникающему при полете ракет в космосе. Устройства с широкозонными полупроводниками могут работать при гораздо более высоких частотах, температурах и скоростях облучения. Но нитрид галлия не подвергся еще более интенсивному излучению нейтронной бомбардировки. «Мы показываем, что она отлично подходит для этой нейтронной среды», — сказал ведущий исследователь Кайл Рид, член группы датчиков и электроники в ORNL.

Это могло бы дать большой импульс мониторингу оборудования на ядерных объектах. Информация, собранная датчиками, обеспечивает раннее предупреждение об износе оборудования, позволяя своевременно проводить техническое обслуживание и избегать более масштабных отказов оборудования, которые приводят к простою реактора. В настоящее время эти данные датчиков обрабатываются на расстоянии, с помощью кабелей, подключенных к электронике с кремниевыми транзисторами.

«Наша работа делает измерение условий внутри действующего ядерного реактора более надежным и точным», — сказал Рид. "Когда у вас длинные кабели, вы получаете много шума, который может повлиять на точность информации датчика. Размещая электронику ближе к датчику, вы повышаете ее точность и точность". Чтобы достичь этой цели, ученым необходимо разработать электронику, которая лучше переносит радиацию.

Исследователи облучали транзисторы из нитрида галлия в течение трех дней при температуре до 125 градусов по Цельсию вблизи активной зоны исследовательского реактора Университета штата Огайо. «Мы были полностью готовы уничтожить транзисторы на третий день, и они выжили», — сказал Рид. Команда довела транзисторы до порога безопасности реактора:семь часов при мощности 90%.

Транзисторы из нитрида галлия способны выдерживать накопленную дозу радиации как минимум в 100 раз большую, чем стандартные кремниевые устройства, говорит исследователь Дайан Эзелл, руководитель группы ORNL по измерениям в ядерной и экстремальной среде и член исследовательской группы по транзисторам.

Она сказала, что материал транзистора должен выдерживать не менее пяти лет (обычный период технического обслуживания) в бассейне ядерного реактора. После того, как исследовательская группа подвергла устройство из нитрида галлия воздействию гораздо более высоких уровней радиации внутри самого ядра, они пришли к выводу, что транзисторы превысят это требование.

Это важный технический прогресс, поскольку внимание переключается с существующего крупномасштабного парка атомных электростанций на микрореакторы, которые могут генерировать от десятков до сотен мегаватт энергии. Хотя эти новые конструкции реакторов все еще находятся на стадии разработки и лицензирования, их потенциальная мобильность может позволить переносить их на кузове грузовика в военную зону или зону бедствия.

Усовершенствованные реакторы проектируются для работы при более высоких температурах с использованием различных видов топлива. По словам Эзелла, поскольку микрореакторы будут настолько компактными, все рабочие компоненты, включая датчики, должны будут функционировать в поле радиации. Ключом могут стать транзисторы на основе нитрида галлия.

Исследователи штата Огайо создали устройства различных конструкций и размеров в соответствии со спецификациями, установленными ORNL, а затем команда сравнила их реакцию на радиацию и обнаружила, что более крупные устройства кажутся менее восприимчивыми к радиационному повреждению. В штате Огайо сейчас разрабатываются компьютерные модели, позволяющие спрогнозировать, как различные схемы будут работать при различных температурах и уровнях радиации.

Рид сказал, что радиационные испытания в штате Огайо показали, что тепло, по-видимому, более вредно для нитрида галлия, чем радиация. Итак, исследовательская группа хочет измерить, как нитрид галлия реагирует только на тепло. «Поскольку конечной целью является проектирование схем с использованием этих материалов, как только мы поймем влияние температуры и излучения, мы сможем компенсировать их при проектировании схем», — сказал Рид.

Улучшение ядерного мониторинга означает повышение безопасности и снижение эксплуатационных расходов, отметил Эзелл. «Каждый день, когда останавливается реактор, теряются сотни тысяч долларов», — сказала она. «Если мы собираемся сделать атомную энергетику экономически конкурентоспособной по сравнению с другими энергетическими отраслями, мы должны поддерживать низкие затраты». Кроме того, сокращение частоты технического обслуживания снижает риски для безопасности человека. «Вы можете избежать помещения людей в суровую радиационную среду или частого обращения с радиоактивными материалами», — добавил Эзелл.

По словам Рида, хотя нитрид галлия коммерчески доступен уже около десяти лет, он не получил широкого распространения. «Мы открываем различные побочные возможности для использования нитрида галлия, чтобы мы могли начать создавать более разумный рыночный спрос на инвестиции, исследования и развитие рабочей силы для подклассов электроники, выходящей за рамки потребительского уровня», — сказал Рид.

В долгосрочной перспективе исследователи хотели бы продемонстрировать, что схемы из нитрида галлия можно использовать для беспроводной передачи данных от датчиков. Этот материал уже используется для устройств, поддерживающих радиочастотные приложения, таких как сотовые телефоны и силовая электроника.

Источник