革新的な耐放射線トランジスタが原子炉安全監視を強化

エレクトロニクス＆センサ インサイダー

ORNLのカイル・リード氏が率いるチーム、オハイオ州立大学原子炉実験室で放射線で輝く原子炉プール内で、ORNL製の新型耐久トランジスタをテスト。（画像：Michael Huson/オハイオ州立大学）

小さなセンサで大規模原子炉の安全性と効率を向上

大規模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のようなシンプルなハードウェアによって向上させられます。そのため、エネルギー省オークリッジ国立研究所（ORNL）の研究者たちは、原子炉内部の激しい放射線に耐えられるエレクトロニクスとセンサを組み合わせ、それら基本センサをより正確にする取り組みを進めています。

窒化ガリウム半導体で予想外の高い成功

ORNL研究チームは最近、センサエレクトロニクスに窒化ガリウム半導体を用いて、予想外の高い成功を収めました。その材料で作られたトランジスタが、研究パートナーのオハイオ州立大学が運営する原子炉のコア付近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、ロケットが宇宙空間を飛行する際に遭遇する電離放射線に対して以前テストされていました。ワイドバンドギャップ半導体デバイスは、はるかに高い周波数、温度、照射率で動作できます。しかし、窒化ガリウムは中性子照射というさらに激しい放射線に直面したことはありませんでした。「これが中性子環境でも素晴らしいことを示しています」と、ORNLセンサ・エレクトロニクスグループのメンバーである主任研究者カイル・リード氏は述べています。

原子力施設の機器監視への大きなブースト

これは原子力施設の機器監視に大きなブーストをもたらす可能性があります。センサが収集する情報は、機器の摩耗について早期警告を提供し、適切なメンテナンスにより、リアクターのダウンタイムを引き起こすより広範な機器故障を回避できます。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持つエレクトロニクスに接続された、数ヤードのケーブルを通じて遠隔から処理されています。

「私たちの仕事は、稼働中の原子炉内部の状態測定をより堅牢かつ正確にします」とリード氏。「長いケーブルがあると、大量のノイズが乗り、センサ情報の精度を妨げます。エレクトロニクスをセンサの近くに配置することで、その精度と確度を高められます。」その目標を達成するには、放射線をよりよく耐えられるエレクトロニクスを開発する必要があります。

原子炉コア付近での3日間照射テストで生存

研究者たちは、オハイオ州立大学研究原子炉のコア付近で、摂氏125度までの温度で窒化ガリウムトランジスタを3日間照射しました。「3日目にはトランジスタが死ぬと完全に予想していましたが、生き残りました」とリード氏。チームはトランジスタを原子炉の安全閾値まで追い込みました：90%出力で7時間。

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の少なくとも100倍の累積放射線量を処理できたと、研究者ダイアン・エゼル氏（ORNL原子力・極限環境測定グループリーダー、トランジスタ研究チームメンバー）は述べています。

同氏によると、トランジスタ材料は原子炉のプール内で少なくとも5年間（通常のメンテナンス窓口）生存可能でなければなりません。研究チームがコア内部で数日間、はるかに高い放射線レベルに窒化ガリウムデバイスを曝露した後、トランジスタがその要件を超えるだろうと結論付けました。

マイクロリアクターへの応用展望

これは、既存の大規模原子力プラント艦隊から、数十〜数百メガワットの電力を生成するマイクロリアクターへ注目が移る中で重要な技術的進歩です。これらの新型リアクター設計はまだ開発とライセンス段階ですが、その潜在的な携帯性により、軍事や災害地域にトラックの後部に積んで展開できる可能性があります。

先進的リアクターは、異なる形態の燃料を使用し、より高温で動作するよう設計されています。マイクロリアクターは非常にコンパクトになるため、センサを含むすべての運用コンポーネントが放射線場で機能できる必要があります。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。

デバイスサイズと放射線耐性の関係

オハイオ州立大学の研究者たちは、ORNLが設定した仕様を満たす様々な設計とサイズのデバイスを作り、それらの放射線応答を比較しました。大きなデバイスの方が放射線損傷に対して感受性が低いことが分かりました。オハイオ州立大学は現在、様々な回路設計が異なる温度と放射線レベルでどう性能を発揮するかを予測するコンピュータモデルを開発中です。

リード氏によると、オハイオ州立大学での放射線テストでは、熱の方が放射線よりも窒化ガリウムに有害に見えました。そのため研究チームは、窒化ガリウムが熱単独でどう反応するかを測定したいと考えています。「究極の目標はこれらの材料で回路を設計することなので、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償できます」とリード氏。

安全性向上と運用コスト削減

より良い原子力監視は、安全性の向上と運用コストの削減を意味します。エゼル氏は「リアクターが停止すると毎日数十万ドルの損失が発生します」と述べています。「原子力を他のエネルギー産業と経済的に競争させるには、コストを低く抑えなければなりません。」また、メンテナンス頻度を減らすことで人的安全リスクも低減します。「人々を過酷な放射線環境に置いたり、放射性物質を扱わせたりする頻度を減らせます」とエゼル氏。

窒化ガリウムは約10年前から商業的に入手可能ですが、広く使用されてはいませんとリード氏。「窒化ガリウムの異なる側面での使用を開拓しているので、コンシューマーグレードを超えたエレクトロニクスのサブクラスへの投資、研究、人材開発のためのより合理的な市場需要を創出できます」とリード氏。

長期的には、研究者たちは窒化ガリウム回路がセンサから無線でデータを送信できることを実証したいと考えています。この材料は、携帯電話のような無線周波数アプリケーションをサポートするデバイスや、パワーエレクトロニクスにもすでに使用されています。

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