Полупроводники нитрида галлия могут успешно выдерживать суровые условия вблизи активной зоны ядерного реактора, обнаружили исследователи из Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL). Это открытие могло бы позволить поместить электронные компоненты ближе к датчикам в функционирующем реакторе, что привело бы к более точным и точным измерениям с преимуществами в плане безопасности и эксплуатации.

Транзисторы нитрида галлия, видимые через микроскоп (Изображение: Кайл Рид/ORNL)

Датчики используются для сбора информации с реактора и могут выявлять потенциальные неисправности оборудования до того, как они произойдут, помогая предотвратить дорогостоящие незапланированные остановки. Но сложная схема, к которой подключены датчики, должна быть расположена вдали от активной зоны реактора, чтобы защитить электронику от тепла и радиации. Длинные кабели, используемые для передачи данных с датчиков, могут улавливать дополнительный шум и ухудшать сигнал.

Нитрид галлия является так называемым полупроводником с широкой полосой пропускания, который более устойчив к нагреву и излучению, чем кремний, и коммерчески доступен, хотя в настоящее время широко не используется. Исследователи из лаборатории Министерства энергетики США протестировали его свойства, поместив транзисторы нитрида галлия рядом с активной зоной исследовательского реактора в Университете штата Огайо, где они успешно выдерживали высокую температуру и радиацию в течение трех дней подряд. Транзисторы были способны обрабатывать в 100 раз большую накопленную дозу излучения, чем стандартные кремниевые устройства при устойчивой температуре 125 ° C, что превзошло все ожидания.

Кайл Рид и Диана Эзелл собирают данные, когда сенсорный транзистор тестируется в реакторном бассейне, который можно увидеть позади них (Изображение: Майкл Хусон/Университет штата Огайо)

"Мы полностью рассчитывали убить транзисторы на третий день, и они выжили",-сказал ведущий исследователь Кайл Рид, член группы Sensors and Electronics в ORNL, добавив, что работа делает измерение условий внутри работающего ядерного реактора"более надежным и точным".

Подвергая транзисторы воздействию высоких уровней радиации в течение нескольких дней в самом ядре реактора, исследователи смогли сделать вывод о том, что транзисторы на основе нитрида галлия способны выжить в реакторе по крайней мере в течение пяти лет, что является нормальным сроком обслуживания таких компонентов.

Исследования могут также иметь важное значение для современных микрореакторов, которые в силу своих компактных размеров нуждаются в датчиках, способных выдерживать более неблагоприятные радиационные условия, чем действующие в настоящее время реакторы. Однако испытания в Университете штата Огайо показали, что тепло более вредно для нитрида галлия, чем радиация. В настоящее время исследователи работают над углублением понимания тепловых эффектов.

По словам Дианы Эзелл (Dianne Ezell), руководителя группы ORNL по ядерным и экстремальным измерениям окружающей среды, улучшение ядерного мониторинга означает повышение безопасности и снижение эксплуатационных расходов, а снижение частоты перерывов в обслуживании снижает риски для безопасности людей. "Сотни тысяч долларов теряются каждый день при остановке реактора",-сказала она. "Если мы хотим сделать ядерную энергетику экономически конкурентоспособной с другими энергетическими отраслями, мы должны поддерживать наши затраты на низком уровне",-сказала она. "Вы можете избежать помещения людей в тяжелую радиационную среду или слишком частого обращения с радиоактивными материалами",-добавила она.

Исследователь и автор World Nuclear News