革新的なHardy Transistorが原子炉の安全監視を強化

電子機器とセンサー インサイダー

ORNLのカイル・リード氏は、オハイオ州立大学原子炉実験室の原子炉プールで、放射線で光るORNL製の丈夫な新型トランジスタをテストするチームを率いた。 (画像:Michael Huson/オハイオ州立大学)

大型で複雑な原子炉の安全性と効率は、冷却システムを監視する小さなセンサーのような単純なハードウェアによって強化できます。そのため、エネルギー省のオークリッジ国立研究所の研究者たちは、原子炉内の強力な放射線に耐えることができる電子機器と基本的なセンサーを組み合わせることで、これらの基本的なセンサーの精度を高めることに取り組んでいます。

ORNL 研究チームは最近、窒化ガリウム半導体をセンサーエレクトロニクスに使用して予想外の大きな成功を収めました。その材料で作られたトランジスタは、研究パートナーであるオハイオ州立大学が運転する原子炉の炉心近くで動作を維持しました。

ワイドバンドギャップ半導体である窒化ガリウムは、ロケットが宇宙を疾走するときに遭遇する電離放射線に対して以前にテストされていました。ワイドバンドギャップ半導体を備えたデバイスは、はるかに高い周波数、温度、照射率で動作できます。しかし、窒化ガリウムは、さらに強力な中性子の照射にさらされることはなかった。 「私たちは、それがこの中性子環境に最適であることを示しています」と、ORNL のセンサーおよびエレクトロニクス グループのメンバーである主任研究員のカイル リード氏は述べています。

これにより、原子力施設の機器監視が大幅に強化される可能性がある。センサーによって収集された情報は、機器の磨耗に関する早期警告を提供し、原子炉のダウンタイムを引き起こす広範な機器の故障を回避するためのタイムリーなメンテナンスを可能にします。現在、このセンシング データは、シリコン ベースのトランジスタを備えた電子機器に接続された何ヤードものケーブルを介して、遠隔地から処理されています。

「私たちの研究により、運転中の原子炉内の状態をより確実かつ正確に測定できるようになりました」とリード氏は語った。 「ケーブルが長いと、大量のノイズが発生し、センサー情報の精度が損なわれる可能性があります。電子機器をセンサーの近くに配置することで、精度と精度が向上します。」この目標を達成するには、科学者は放射線に対する耐性を高める電子機器を開発する必要があります。

研究者らは、オハイオ州立大学研究炉の中心近くで、最高125℃の温度で窒化ガリウムトランジスタを3日間照射した。 「3日目にはトランジスタが破壊されるだろうと十分に予想していましたが、トランジスタは生き延びました」とリード氏は語った。チームはトランジスタを原子炉の安全しきい値（出力 90% で 7 時間）まで押し上げました。

ORNL の核および極限環境測定グループのリーダーであり、トランジスタ研究チームのメンバーでもある研究者のダイアン・エゼル氏は、窒化ガリウム・トランジスタは標準的なシリコン・デバイスよりも少なくとも 100 倍の蓄積放射線量に耐えることができたと述べています。

同氏は、トランジスタの材料は原子炉のプール内で通常の保守期間である少なくとも5年間は耐えられる必要があると述べた。研究チームは、窒化ガリウムデバイスをコア自体内ではるかに高い放射線レベルに何日もさらした後、トランジスタがその要件を超えると結論付けました。

既存の大規模原子力発電所から、数十メガワットから数百メガワットの電力を生成できるマイクロリアクターに注目が移っている中で、これは重要な技術的進歩である。これらの新しい原子炉設計はまだ開発とライセンスの段階にありますが、可搬性があるため、トラックの荷台に積んで軍事地域や災害地域に配備できる可能性があります。

最新鋭の原子炉は、さまざまな形態の燃料を使用して高温で運転できるように設計されています。マイクロリアクターは非常にコンパクトになるため、センサーを含むすべての動作コンポーネントが放射線場で機能できる必要があるとエゼル氏は述べた。窒化ガリウム トランジスタが鍵となる可能性があります。

オハイオ州立大学の研究者らは、ORNL が設定した仕様を満たすためにさまざまな設計とサイズのデバイスを構築し、放射線に対する反応を比較したところ、デバイスが大きいほど放射線による損傷を受けにくいことが判明しました。オハイオ州立大学は現在、さまざまな回路設計がさまざまな温度や放射線レベルの下でどのように機能するかを予測するためのコンピューター モデルを開発中です。

リード氏は、オハイオ州立大学での放射線検査では、放射線よりも熱の方が窒化ガリウムにとって有害であることが示されたと述べた。そこで研究チームは、窒化ガリウムが熱のみに対してどのように反応するかを測定したいと考えている。 「最終的な目標はこれらの材料を使用して回路を設計することであるため、温度と放射線の影響を理解すれば、回路設計でそれらを補正することができます」とリード氏は述べています。

エゼル氏は、核監視の強化は安全性の向上と運用コストの削減を意味すると指摘した。 「原子炉が停止すると、毎日数十万ドルが失われます」と彼女は言う。 「原子力を他のエネルギー産業と経済的に競争できるようにするには、コストを低く抑える必要があります。」さらに、メンテナンスの頻度が減ることで、人体の安全上のリスクも軽減されます。 「人々を過酷な放射線環境に置いたり、放射性物質を頻繁に扱ったりすることを避けることができます」とエゼル氏は付け加えた。

窒化ガリウムは約10年前から市販されているが、広く使用されていないとリード氏は述べた。 「私たちは窒化ガリウムを使用するためのさまざまな脇道を開拓しているので、消費者向けグレードを超えたエレクトロニクスのサブクラスに対する投資、研究、人材育成に対するより合理的な市場需要を創出し始めることができます」とリード氏は述べました。

研究者らは長期的には、窒化ガリウム回路を使用してセンサーからのデータを無線で送信できることを実証したいと考えている。この材料は、携帯電話やパワー エレクトロニクスなど、無線周波数アプリケーションをサポートするデバイスにすでに使用されています。

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