وقد وجد باحثون من مختبر أوك ريدج الوطني أن أشباه الموصلات التي تحتوي على نترات الغاليوم يمكن أن تصمد بنجاح أمام البيئة القاسية بالقرب من نواة مفاعل نووي. ويمكن أن يتيح هذا الاكتشاف وضع مكونات إلكترونية أقرب إلى أجهزة الاستشعار في مفاعل تشغيلي ، مما يؤدي إلى قياسات أكثر دقة ودقة ذات فوائد أمنية وتشغيلية.

ترانزستورات الغاليوم ، التي شوهدت من خلال المجهر ( الصورة: كايل ريد / أورنل )

وتستخدم أجهزة الاستشعار لجمع المعلومات من المفاعل ويمكن أن تحدد حالات فشل المعدات المحتملة قبل حدوثها ، مما يساعد على منع عمليات الإغلاق غير المقررة الباهظة التكلفة. لكن الدوائر المعقدة التي ترتبط بها أجهزة الاستشعار يجب أن توضع بعيداً عن قلب المفاعل لحماية الإلكترونيات من الحرارة والإشعاع. ويمكن للكابلات الطويلة المستخدمة لنقل البيانات من أجهزة الاستشعار عن طريق التقاط ضوضاء إضافية وتحلل الإشارة.

إن نيتريد الغاليوم هو ما يسمى أشباه الموصلات الواسعة النطاق التي تقاوم الحرارة والإشعاع أكثر من السيليكون ، وهو متاح تجاريا ، وإن كان لا يستخدم حاليا على نطاق واسع. وقد اختبر باحثون من مختبر الطاقة التابع لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة خصائصه بوضع ترانزستورات نيتروجين الغاليوم بالقرب من نواة مفاعل بحثي في جامعة ولاية أوهايو حيث نجحوا في مقاومة الحرارة العالية والإشعاع لمدة ثلاثة أيام متتالية. وتمكنت الترانزستورات من معالجة جرعة متراكمة من الإشعاع أعلى 100 مرة من أجهزة السيليكون القياسية في درجة حرارة مستمرة تبلغ 125 درجة مئوية ، مما أدى إلى أداء يتجاوز التوقعات.

كايل ريد وديان إيزيل يجمعان البيانات بينما يتم اختبار الترانزستور المستشعر في بركة المفاعل ، والذي يمكن رؤيته خلفهم ( الصورة: مايكل هوسون / جامعة ولاية أوهايو )

وقال الباحث الرئيسي كايل ريد ، وهو عضو في مجموعة أجهزة الاستشعار والإلكترونيات في ORNL ، إن العمل يجعل قياس الظروف داخل مفاعل نووي عامل"أكثر قوة ودقة".

وبتعريض الترانزستورات لمستويات إشعاعية عالية في قلب المفاعل نفسه ، تمكن الباحثون من استنتاج أن ترانزستورات نيتريد الغاليوم قادرة على البقاء على قيد الحياة لمدة خمس سنوات على الأقل في مفاعل ، وهو نافذة الصيانة العادية لهذه المكونات.

وقد يكون البحث مهما أيضا بالنسبة للمفاعلات الدقيقة المتقدمة ، التي ستحتاج ، بسبب حجمها المدمج ، إلى أجهزة استشعار قادرة على تحمل ظروف إشعاعية ضارة أكثر من المفاعلات العاملة حاليا. ومع ذلك ، أظهر الاختبار في جامعة ولاية أوهايو أن الحرارة أكثر ضررًا لنيتريد الغاليوم من الإشعاع. ويعمل الباحثون الآن على زيادة فهم آثار الحرارة.

وقالت السيدة ديان إيزيل ، رئيسة مجموعة القياسات البيئية النووية والمتطرفة التابعة لشركة أورنل ،"إن الرصد النووي الأفضل يعني زيادة السلامة وخفض تكاليف التشغيل ، والحد من تواتر انقطاع الصيانة يقلل من مخاطر السلامة البشرية". قالت:"مئات الآلاف من الدولارات تضيع كل يوم يتم إغلاق المفاعل". وقالت:"إذا كنا سنجعل الطاقة النووية قادرة على المنافسة اقتصاديا مع صناعات الطاقة الأخرى ، علينا أن نبقي تكاليفنا منخفضة". وأضافت:"أنت قادر على تجنب وضع الناس في بيئات إشعاعية قاسية أو التعامل مع المواد المشعة في كثير من الأحيان".

بحث وكتبت من قبل أخبار العالم النووية