Revolutionaire stralingsbestendige transistor verbetert nucleaire reactorveiligheidsmonitoring

Electronics & Sensors INSIDER

ORNL's Kyle Reed leidde een team dat een door ORNL gemaakte, robuuste nieuwe type transistor testte in de reactorvijver terwijl hij gloedt door straling in het Ohio State University Nuclear Reactor laboratorium. (Afbeelding: Michael Huson/The Ohio State University)

De veiligheid en efficiëntie van een grote, complexe nucleaire reactor kan verbeterd worden door hardware zo simpel als een kleine sensor die een koelsysteem monitort. Daarom werken onderzoekers van het Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory eraan om die basissensoren nauwkeuriger te maken door ze te koppelen aan elektronica die de intense straling binnenin een reactor kan weerstaan.

Het ORNL-onderzoeksteam behaalde onverwacht hoge succes met een galliumnitride-semiconductor voor sensorelektronica. Een transistor gemaakt met dat materiaal handhaafde operaties nabij de kern van een nucleaire reactor die wordt bediend door onderzoeksvennoot The Ohio State University.

Galliumnitride, een wide-bandgap semiconductor, was eerder getest tegen de ioniserende straling die ontstaat wanneer raketten door de ruimte hurtelen. Apparaten met wide-bandgap semiconductors kunnen opereren op veel hogere frequenties, temperaturen en bestralingssnelheden. Maar galliumnitride had nog niet de nog intense neutronenbombardering moeten staan. "We tonen aan dat het geweldig is voor deze neutronenomgeving," zei hoofdonderzoeker Kyle Reed, lid van de Sensors and Electronics groep bij ORNL.

Dat kan een grote boost bieden voor apparatuurmonitoring in nucleaire faciliteiten. De informatie verzameld door sensoren biedt vroege waarschuwingen over slijtage aan apparatuur, waardoor tijdig onderhoud mogelijk is om bredere apparatuurstoringen te voorkomen die reactor-downtime veroorzaken. Momenteel wordt deze sensordata verwerkt op afstand, door yards kabel verbonden met elektronica met silicium-gebaseerde transistors.

"Ons werk maakt het meten van condities binnenin een opererende nucleaire reactor robuuster en nauwkeuriger," zei Reed. "Wanneer u lange kabels hebt, eindigt u met veel ruis, wat de nauwkeurigheid van de sensorinformatie kan storen. Door elektronica dichter bij een sensor te plaatsen, vergroot u de nauwkeurigheid en precisie." Om dat doel te bereiken, moeten wetenschappers elektronica ontwikkelen die straling beter kan tolereren.

Onderzoekers bestraalde galliumnitride-transistors gedurende drie dagen bij temperaturen tot 125 graden Celsius dicht bij de kern van de Ohio State University Research Reactor. "We verwachtten de transistors op de derde dag volledig te doden, en ze overleefden," zei Reed. Het team duwde de transistors tot aan de veiligheidsdrempel van de reactor: zeven uur bij 90% vermogen.

De galliumnitride-transistors bleken ten minste 100 keer hogere geaccumuleerde stralingsdosis aan te kunnen dan een standaard siliciumapparaat, zei onderzoeker Dianne Ezell, leidster van ORNL's Nuclear and Extreme Environment Measurements groep en lid van het transistor-onderzoeksteam.

Ze zei dat het transistormateriaal in staat moet zijn om ten minste vijf jaar te overleven, het normale onderhoudsvenster, in de vijver van een nucleaire reactor. Na het blootstellen van het galliumnitride-apparaat aan dagen van veel hogere stralingsniveaus binnenin de kern zelf, concludeerden ze dat de transistors die vereiste zouden overtreffen.

Dit is een belangrijke technische vooruitgang naarmate de aandacht verschuift van de grootschalige bestaande vloot van kernenergiecentrales naar microreactoren die tientallen tot honderden megawatt kunnen genereren. Hoewel deze nieuwe reactorontwerpen nog in de ontwikkelings- en licentiëringsfase zijn, zou hun potentiële draagbaarheid hen kunnen laten implementeren op de achterkant van een vrachtwag naar een militair of rampengebied.

Geavanceerde reactoren worden ontworpen om bij hogere temperaturen te opereren met verschillende vorm van brandstof. Omdat microreactoren zo compact zullen zijn, zullen alle operationele componenten, inclusief de sensoren, in het stralingsveld moeten kunnen functioneren, zei Ezell. Galliumnitride-transistors kunnen de sleutel zijn.

Ohio State-onderzoekers bouwden apparaten van verschillende ontwerpen en maten om specificaties van ORNL te voldoen, en het team vergelijkte hun reacties op straling, met de bevinding dat grotere apparaten minder gevoelig leken voor stralingsschade. Ohio State ontwikkelt nu computermodellen om te projecteren hoe diverse schakelingontwerpen zullen presteren onder verschillende temperaturen en stralingsniveaus.

Reed zei dat de stralingstesten op Ohio State lieten zien dat hitte schijnbaar schadelijker was voor galliumnitride dan straling. Dus het onderzoeksteam wil meten hoe galliumnitride reageert op hitte alleen. "Aangezien het uiteindelijke doel is om circuits met deze materialen te ontwerpen, zodra we de temperatuur- en stralingseffecten begrijpen, kunnen we ze compenseren in het schakelingontwerp," zei Reed.

Betere nucleaire monitoring betekent verhoogde veiligheid en gereduceerde exploitatiekosten, merkte Ezell op. "Honderdduizenden dollars gaan verloren elke dag dat een reactor uitgeschakeld is," zei ze. "Als we nucleair economisch competitief willen maken met andere energie-industrieën, moeten we onze kosten laag houden." Bovendien vermindert het verminderen van de frequentie van onderhoud menselijke veiligheidsrisico's. "U kunt vermijden om mensen in harde stralingsomgevingen te plaatsen of radioactief materiaal te hanteren zo vaak," voegde Ezell toe.

Hoewel galliumnitride al ongeveer een decennium commercieel beschikbaar is, wordt het niet wijd gebruikt, zei Reed. "We openen verschillende zij-avenues voor het gebruik van galliumnitride, zodat we een redelijkere marktvraag kunnen creëren voor investering, onderzoek en workforce-ontwikkeling voor subclasses van elektronica verder dan consumenten-kwaliteit," zei Reed.

Op de lange termijn willen onderzoekers demonstreren dat galliumnitride-circuits gebruikt kunnen worden om data van sensoren draadloos te verzenden. Het materiaal wordt al gebruikt voor apparaten die radiofrequentie-toepassingen ondersteunen, zoals mobiele telefoons, en krachtelektronica.

Bron