革命性的 Hardy 晶体管增强核反应堆安全监控

电子与传感器内幕

俄亥俄州立大学核反应堆实验室的凯尔·里德 (Kyle Reed) 领导的团队在反应堆池中测试了 ORNL 制造的耐用新型晶体管，该晶体管会发出辐射光。 （图片来源：Michael Huson/俄亥俄州立大学）

大型复杂核反应堆的安全性和效率可以通过像监控冷却系统的微型传感器这样简单的硬件来提高。这就是为什么能源部橡树岭国家实验室的研究人员正在努力将这些基本传感器与能够承受反应堆内强烈辐射的电子设备配对，从而使这些传感器更加准确。

橡树岭国家实验室的研究团队最近使用氮化镓半导体作为传感器电子器件，取得了意想不到的巨大成功。用这种材料制成的晶体管在研究合作伙伴俄亥俄州立大学运营的核反应堆核心附近保持运行。

氮化镓是一种宽带隙半导体，此前曾针对火箭冲过太空时遇到的电离辐射进行过测试。具有宽带隙半导体的器件可以在更高的频率、温度和辐照率下运行。但氮化镓并没有面临更强烈的中子轰击辐射。 “我们正在证明它非常适合这种中子环境，”首席研究员、橡树岭国家实验室传感器和电子小组成员凯尔·里德 (Kyle Reed) 说道。

这可能会极大地促进核设施的设备监控。传感器收集的信息可以提供有关设备磨损的早期预警，从而可以及时进行维护，以避免导致反应堆停机的更广泛的设备故障。目前，这些传感数据是通过几码电缆从远处处理的，这些电缆连接到带有硅基晶体管的电子设备。

“我们的工作使测量正在运行的核反应堆内部的条件更加可靠和准确，”里德说。 “当电缆很长时，最终会产生大量噪声，这可能会干扰传感器信息的准确性。通过将电子设备放置在靠近传感器的位置，可以提高其准确性和精度。”为了实现这一目标，科学家需要开发能够更好地耐受辐射的电子产品。

研究人员在俄亥俄州立大学研究堆核心附近高达 125 摄氏度的温度下对氮化镓晶体管进行了三天的辐照。 “我们完全预计会在第三天杀死晶体管，但它们幸存了下来，”里德说。该团队将晶体管一路推向反应堆的安全阈值：90% 功率下运行 7 小时。

ORNL 核与极端环境测量小组组长、晶体管研究小组成员研究员 Dianne Ezell 表示，氮化镓晶体管能够承受比标准硅器件高至少 100 倍的累积辐射剂量。

她说，晶体管材料需要能够在核反应堆池中存活至少五年（正常维护期限）。研究团队将氮化镓器件暴露在核心内部高得多的辐射水平下数天后，他们得出结论，晶体管将超出该要求。

这是一项重要的技术进步，因为人们的注意力从现有的大型核电站转向了可产生数十至数百兆瓦电力的微反应堆。尽管这些新颖的反应堆设计仍处于开发和许可阶段，但其潜在的便携性可以让它们部署在卡车后面，前往军事或灾区。

先进的反应堆被设计为使用不同形式的燃料在更高的温度下运行。埃泽尔说，由于微反应器将非常紧凑，因此包括传感器在内的所有操作组件都必须能够在辐射场中发挥作用。氮化镓晶体管可能是关键。

俄亥俄州立大学的研究人员制造了不同设计和尺寸的设备，以满足 ORNL 制定的规格，然后研究小组比较了它们对辐射的反应，发现较大的设备似乎不太容易受到辐射损坏。俄亥俄州立大学目前正在开发计算机模型，以预测各种电路设计在不同温度和辐射水平下的表现。

里德说，俄亥俄州立大学的辐射测试表明，热量似乎比辐射对氮化镓的危害更大。因此，研究小组想要测量氮化镓单独对热的反应。 “由于最终目标是用这些材料设计电路，一旦我们了解了温度和辐射效应，我们就可以在电路设计中对其进行补偿，”里德说。

埃泽尔指出，更好的核监测意味着更高的安全性和更低的运营成本。 “反应堆关闭每天都会造成数十万美元的损失，”她说。 “如果我们想让核能在经济上与其他能源行业竞争，我们就必须保持低成本。”此外，减少维护频率还可以降低人身安全风险。 “你可以避免将人们置于恶劣的辐射环境中或经常处理放射性物质，”埃泽尔补充道。

里德说，虽然氮化镓已经商业化大约十年了，但它并没有被广泛使用。 “我们正在为使用氮化镓开辟不同的侧面途径，这样我们就可以开始为消费级以外的电子子类的投资、研究和劳动力发展创造更合理的市场需求，”里德说。

从长远来看，研究人员希望证明氮化镓电路可用于无线传输传感器数据。该材料已用于支持射频应用的设备，例如手机和电力电子设备。

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