橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 的研究人員發(fā)現(xiàn)，氮化鎵半導(dǎo)體能夠成功抵御核反應(yīng)堆核心附近的惡劣環(huán)境。這一發(fā)現(xiàn)可以使電子元件更靠近運(yùn)行中的反應(yīng)堆中的傳感器，從而實(shí)現(xiàn)更精確、更準(zhǔn)確的測量，同時(shí)具有安全性和操作性優(yōu)勢。

透過顯微鏡觀察的氮化鎵晶體管

傳感器用于收集反應(yīng)堆信息，并能在設(shè)備故障發(fā)生前識別潛在故障，從而有助于防止代價(jià)高昂的非計(jì)劃停機(jī)。但傳感器所連接的復(fù)雜電路必須遠(yuǎn)離反應(yīng)堆堆芯，以保護(hù)電子設(shè)備免受熱量和輻射的影響。用于從傳感器傳輸數(shù)據(jù)的長電纜可能會拾取額外的噪音并降低信號質(zhì)量。

氮化鎵是一種所謂的寬帶隙半導(dǎo)體，比硅更耐高溫和輻射，并且目前已在市場上銷售，但目前尚未廣泛使用。美國能源部實(shí)驗(yàn)室的研究人員將氮化鎵晶體管放置在俄亥俄州立大學(xué)研究反應(yīng)堆核心附近，成功連續(xù)三天經(jīng)受住了高溫和輻射。在持續(xù) 125°C 的溫度下，晶體管能夠承受比標(biāo)準(zhǔn)硅器件高 100 倍的累積輻射劑量，表現(xiàn)超出預(yù)期。

凱爾·里德 (Kyle Reed) 和黛安·埃澤爾 (Dianne Ezell) 在反應(yīng)堆池中測試傳感器晶體管時(shí)收集數(shù)據(jù)

首席研究員、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室傳感器與電子小組成員凱爾·里德 (Kyle Reed) 表示：“我們完全預(yù)料到晶體管會在第三天被毀壞，但它們卻幸存了下來。”他還補(bǔ)充說，這項(xiàng)工作使得測量運(yùn)行中的核反應(yīng)堆內(nèi)部狀況“更加可靠和準(zhǔn)確”。

通過將晶體管暴露在反應(yīng)堆核心的高輻射水平下數(shù)天，研究人員得出結(jié)論，氮化鎵晶體管能夠在反應(yīng)堆中存活至少五年，這是此類組件的正常維護(hù)窗口。

這項(xiàng)研究對先進(jìn)微反應(yīng)堆也可能具有重要意義，因?yàn)橄冗M(jìn)微反應(yīng)堆體積小，需要能夠承受比目前運(yùn)行的反應(yīng)堆更惡劣的輻射條件的傳感器。然而，俄亥俄州立大學(xué)的測試表明，熱量對氮化鎵的危害比輻射更大。研究人員目前正在進(jìn)一步了解熱量的影響。

ORNL 核能和極端環(huán)境測量小組負(fù)責(zé)人 Dianne Ezell 表示，更好的核能監(jiān)測意味著安全性的提高和運(yùn)營成本的降低，而減少維護(hù)停機(jī)頻率則可降低人身安全風(fēng)險(xiǎn)。“每天關(guān)閉反應(yīng)堆都會造成數(shù)十萬美元的損失，”她說。“如果我們要使核能與其他能源行業(yè)在經(jīng)濟(jì)上具有競爭力，我們就必須保持低成本，”她說。“這樣就可以避免讓人們處于惡劣的輻射環(huán)境中或經(jīng)常接觸放射性物質(zhì)，”她補(bǔ)充道。