Revolutionaire Hardy-transistor verbetert de veiligheidsbewaking van kernreactoren

Elektronica en sensoren INSIDER

Kyle Reed van ORNL leidde een team dat een door ORNL gemaakt, robuust nieuw type transistor testte in het reactorbad terwijl het gloeide van de straling in het kernreactorlaboratorium van de Ohio State University. (Afbeelding:Michael Huson/De Ohio State University)

De veiligheid en efficiëntie van een grote, complexe kernreactor kunnen worden verbeterd door hardware die zo simpel is als een kleine sensor die een koelsysteem bewaakt. Daarom werken onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy eraan om deze basissensoren nauwkeuriger te maken door ze te koppelen aan elektronica die bestand is tegen de intense straling in een reactor.

Het ORNL-onderzoeksteam kende onlangs onverwacht veel succes met het gebruik van een galliumnitride-halfgeleider voor sensorelektronica. Een transistor gemaakt met dat materiaal bleef functioneren in de buurt van de kern van een kernreactor die werd beheerd door onderzoekspartner The Ohio State University.

Galliumnitride, een halfgeleider met een grote bandafstand, was eerder getest tegen de ioniserende straling die vrijkomt wanneer raketten door de ruimte razen. Apparaten met halfgeleiders met een grote bandafstand kunnen werken op veel hogere frequenties, temperaturen en bestralingssnelheden. Maar galliumnitride had niet te maken gehad met de nog intensere straling van neutronenbombardementen. “We laten zien dat het geweldig is voor deze neutronenomgeving”, zegt hoofdonderzoeker Kyle Reed, lid van de Sensors and Electronics-groep bij ORNL.

Dat zou een grote impuls kunnen geven aan de monitoring van apparatuur in nucleaire installaties. De door sensoren verzamelde informatie geeft vroegtijdige waarschuwingen over slijtage van apparatuur, waardoor tijdig onderhoud mogelijk is om bredere apparatuurstoringen te voorkomen die tot stilstand van de reactor leiden. Momenteel worden deze detectiegegevens op afstand verwerkt, via meterslange kabels die zijn verbonden met elektronica met op silicium gebaseerde transistors.

“Ons werk maakt het meten van de omstandigheden in een werkende kernreactor robuuster en nauwkeuriger”, aldus Reed. "Als je lange kabels hebt, krijg je veel ruis, wat de nauwkeurigheid van de sensorinformatie kan verstoren. Door elektronica dichter bij een sensor te plaatsen, vergroot je de nauwkeurigheid en precisie." Om dat doel te bereiken moeten wetenschappers elektronica ontwikkelen die straling beter kan verdragen.

Onderzoekers bestraalden drie dagen lang galliumnitride-transistors bij temperaturen tot 125 graden Celsius, dichtbij de kern van de Ohio State University Research Reactor. "We hadden absoluut verwacht dat we de transistors op de derde dag zouden doden, en ze overleefden", zei Reed. Het team duwde de transistors helemaal tot aan de veiligheidsdrempel van de reactor:zeven uur op 90% vermogen.

De galliumnitride-transistors waren in staat om een minstens 100 keer hogere geaccumuleerde stralingsdosis te verwerken dan een standaard siliciumapparaat, zei onderzoeker Dianne Ezell, leider van ORNL's Nuclear and Extreme Environment Measurements-groep en lid van het transistoronderzoeksteam.

Ze zei dat het transistormateriaal minstens vijf jaar, het normale onderhoudsvenster, moet kunnen overleven in het zwembad van een kernreactor. Nadat het onderzoeksteam het galliumnitride-apparaat had blootgesteld aan dagen met veel hogere stralingsniveaus in de kern zelf, kwamen ze tot de conclusie dat de transistors deze vereiste zouden overschrijden.

Dit is een belangrijke technische vooruitgang nu de aandacht zich verschuift van de grootschalige bestaande vloot van kernenergiecentrales naar microreactoren die tientallen tot honderden megawatts aan energie kunnen opwekken. Hoewel deze nieuwe reactorontwerpen zich nog in de ontwikkelings- en vergunningsfase bevinden, zou hun potentiële draagbaarheid ervoor kunnen zorgen dat ze achterop een vrachtwagen kunnen worden ingezet naar een militair of rampgebied.

Er worden geavanceerde reactoren ontworpen om bij hogere temperaturen te werken en gebruik te maken van verschillende vormen van brandstof. Omdat microreactoren zo compact zullen zijn, zullen alle werkende componenten, inclusief de sensoren, in het stralingsveld moeten kunnen functioneren, aldus Ezell. Galliumnitride-transistors zouden de sleutel kunnen zijn.

Onderzoekers van de staat Ohio bouwden apparaten met verschillende ontwerpen en afmetingen om te voldoen aan de specificaties van ORNL, en vervolgens vergeleken het team hun reacties op straling, waarbij ze ontdekten dat grotere apparaten minder gevoelig leken voor stralingsschade. Ohio State ontwikkelt nu computermodellen om te projecteren hoe verschillende circuitontwerpen zullen presteren onder verschillende temperaturen en stralingsniveaus.

Reed zei dat uit de stralingstesten in de staat Ohio bleek dat hitte schadelijker leek voor galliumnitride dan straling. Het onderzoeksteam wil dus meten hoe galliumnitride alleen op hitte reageert. "Aangezien het uiteindelijke doel is om circuits met deze materialen te ontwerpen, kunnen we, zodra we de temperatuur- en stralingseffecten begrijpen, deze compenseren in het circuitontwerp", aldus Reed.

Betere nucleaire monitoring betekent meer veiligheid en lagere bedrijfskosten, merkte Ezell op. ‘Elke dag dat een reactor wordt stilgelegd, gaan honderdduizenden dollars verloren’, zei ze. “Als we kernenergie economisch concurrerend willen maken met andere energie-industrieën, moeten we onze kosten laag houden.” Bovendien vermindert het verminderen van de onderhoudsfrequentie de risico's voor de menselijke veiligheid. “Je kunt voorkomen dat mensen in zware stralingsomgevingen worden geplaatst of dat ze zo vaak met radioactief materiaal moeten omgaan”, voegde Ezell eraan toe.

Hoewel galliumnitride al ongeveer tien jaar in de handel verkrijgbaar is, wordt het niet veel gebruikt, zei Reed. “We openen verschillende zijwegen voor het gebruik van galliumnitride, zodat we een redelijkere marktvraag kunnen creëren voor investeringen, onderzoek en personeelsontwikkeling voor subklassen van elektronica die verder gaan dan consumentenproducten”, aldus Reed.

Op de lange termijn willen onderzoekers aantonen dat galliumnitridecircuits kunnen worden gebruikt om gegevens van sensoren draadloos te verzenden. Het materiaal wordt al gebruikt voor apparaten die radiofrequentietoepassingen ondersteunen, zoals mobiele telefoons en vermogenselektronica.

Bron