Novi tranzistor preživljava u nuklearnom reaktoru

Sigurnost i učinkovitost velikog, složenog nuklearnog reaktora može se poboljšati jednostavnim hardverom poput malenog senzora koji nadzire rashladni sustav. Zato istraživači u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge ONRL Ministarstva energetike SAD-a rade na tome da te osnovne senzore učine preciznijima spajajući ih s elektronikom koja može izdržati intenzivno zračenje unutar reaktora. 

Istraživački tim ORNL-a nedavno je postigao neočekivano velik uspjeh koristeći poluvodič galijev nitrid za senzorsku elektroniku. Tranzistor napravljen od tog materijala održavao je rad u blizini jezgre nuklearnog reaktora kojim upravlja istraživački partner Državno sveučilište Ohio. 

Galijev nitrid, širokopojasni poluvodič, prethodno je testiran na ionizirajuće zračenje koje se javlja kada rakete jure svemirom. Uređaji sa širokopojasnim poluvodičima mogu raditi na mnogo višim frekvencijama, temperaturama i brzinama zračenja. Ali galijev nitrid nije se suočio s još intenzivnijim zračenjem neutronskog bombardiranja. "Pokazujemo da je izvrstan za ovo neutronsko okruženje", rekao je voditelj istraživanja Kyle Reed, član grupe za senzore i elektroniku pri ORNL-u.

To bi moglo biti veliki poticaj za praćenje opreme u nuklearnim postrojenjima. Informacije prikupljene senzorima daju rana upozorenja o istrošenosti opreme, omogućujući pravovremeno održavanje kako bi se izbjegli veći kvarovi opreme koji uzrokuju zastoj reaktora. Trenutačno se ovi senzorski podaci obrađuju iz daljine, preko metara kabela povezanih s elektronikom s tranzistorima na bazi silicija. 

Istraživači su tri dana ozračivali tranzistore galijevog nitrida na temperaturama do 125 stupnjeva Celzijusa u blizini jezgre istraživačkog reaktora Državnog sveučilišta Ohio. "U potpunosti smo očekivali da ćemo uništiti tranzistore trećeg dana i oni su preživjeli", rekao je Reed. Tim je gurnuo tranzistore sve do sigurnosnog praga reaktora: Sedam sati na 90% snage. 

Tranzistori galijevog nitrida mogli su podnijeti najmanje 100 puta veću akumuliranu dozu zračenja od standardnog silikonskog uređaja, rekla je istraživačica Dianne Ezell, voditeljica ORNL-ove grupe za mjerenje nuklearnih i ekstremnih okoliša i članica istraživačkog tima tranzistora.

Rekla je da tranzistorski materijal mora biti sposoban preživjeti najmanje pet godina, normalno razdoblje održavanja, u bazenu nuklearnog reaktora. Nakon što je istraživački tim izložio uređaj s galij nitridom danima s mnogo viših razina zračenja unutar same jezgre, zaključili su da će tranzistori premašiti taj zahtjev. 

Ovo je važan tehnički napredak jer se pozornost usmjerava s velike postojeće flote nuklearnih energetskih postrojenja na mikroreaktore koji bi mogli generirati od desetaka do stotina megavata energije. Iako su ovi novi dizajni reaktora još uvijek u fazi razvoja i licenciranja, njihova bi potencijalna prenosivost mogla omogućiti njihovo postavljanje na stražnjoj strani kamiona ili u zonu katastrofe. 

Napredni reaktori dizajnirani su za rad na višim temperaturama koristeći različite oblike goriva. Budući da će mikroreaktori biti tako kompaktni, sve radne komponente, uključujući senzore, morat će funkcionirati u polju zračenja. Tranzistori od galijevog nitrida mogli bi biti ključ. 

Dugoročno gledano, istraživači bi željeli pokazati da se krugovi galijevog nitrida mogu koristiti za bežični prijenos podataka sa senzora. Materijal se već koristi za uređaje koji podržavaju radiofrekvencijske aplikacije, poput mobilnihtelefona, kao i za energetsku elektroniku.