革命性耐辐射晶体管增强核反应堆安全监测

电子与传感器 INSIDER

ORNL 的 Kyle Reed 领导团队在俄亥俄州立大学核反应堆实验室的反应堆池中测试 ORNL 制造的新型耐辐射晶体管，背景是辐射发光的反应堆。（图片：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通过监测冷却系统的微型传感器提升。因此，能源部橡树岭国家实验室 (ORNL) 研究人员致力于通过将能承受反应堆内部强烈辐射的电子设备与传感器配对，提高这些基础传感器的准确性。

ORNL 研究团队最近使用氮化镓半导体作为传感器电子器件，取得意外高成功率。由该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维持运行。

氮化镓是一种宽禁带半导体，此前已针对火箭穿越太空时遇到的电离辐射进行测试。宽禁带半导体器件可在更高频率、温度和辐照率下运行。但氮化镓未面对更强烈的中子轰击辐射。“我们证明它在中子环境中表现优异，”首席研究员 Kyle Reed，ORNL 传感器与电子组成员表示。

这可为核设施设备监测提供巨大助力。传感器收集的信息提供设备磨损早期预警，允许及时维护避免导致反应堆停机的更广泛设备故障。目前，传感数据通过数码长电缆连接到基于硅晶体管的电子设备远程处理。

“我们的工作使在运行核反应堆内部测量条件更稳健准确，”Reed 说，“长电缆会引入大量噪声，干扰传感器信息准确性。将电子设备置于传感器附近，可提高其准确性和精度。”为达成此目标，科学家需开发更耐辐射的电子设备。

研究人员在俄亥俄州立大学研究反应堆核心附近，以高达 125°C 温度辐照氮化镓晶体管三天。“我们完全预期第三天晶体管会失效，但它们存活了，”Reed 说。团队将晶体管推至反应堆安全阈值：90% 功率运行七小时。

研究员 Dianne Ezell，ORNL 核与极端环境测量组组长、晶体管研究团队成员表示，氮化镓晶体管能承受至少比标准硅器件高 100 倍的累积辐射剂量。

她指出晶体管材料需能在核反应堆池中存活至少五年（正常维护周期）。研究团队在核心区让氮化镓器件经受远超正常水平的辐射数天后，结论是晶体管将超出该要求。

这是重要技术进步，关注点从大型现有核电站车队转向可产生数十至数百兆瓦功率的微反应堆。尽管这些新型反应堆设计仍处开发和许可阶段，其潜在便携性允许部署在军事或灾区卡车上。

先进反应堆设计在更高温度下运行，使用不同燃料形式。因微反应堆极其紧凑，所有运行组件（包括传感器）必须能在辐射场中工作，Ezell 说。氮化镓晶体管可能是关键。

俄亥俄州立大学研究人员按 ORNL 规格制造不同设计尺寸器件，团队比较其辐射响应，发现较大器件似乎对辐射损伤不那么敏感。俄亥俄州立大学正开发计算机模型，预测各种电路设计在不同温度和辐射水平下的性能。

Reed 表示俄亥俄州立大学辐射测试显示热量对氮化镓危害大于辐射。因此团队想单独测量氮化镓对热的反应。“既然最终目标是用这些材料设计电路，一旦理解温度和辐射效应，就能在电路设计中补偿它们，”Reed 说。

更好的核监测意味着安全性提升和运营成本降低，Ezell 指出。“反应堆每天停机损失数十万美元，”她说，“要使核能与其他能源产业在经济上竞争，必须压低成本。”此外，减少维护频率降低人身安全风险。“能避免让人频繁进入恶劣辐射环境或处理放射性材料，”Ezell 补充。

虽然氮化镓商业化约十年，但未广泛使用，Reed 说。“我们为氮化镓开辟不同侧向应用途径，以创造更合理的市场需求，推动投资、研究和劳动力发展，超越消费级电子子类，”Reed 说。

长远看，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器件（如手机）和功率电子。

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