Полупроводники из нитрида галлия могут успешно выдерживать суровые условия окружающей среды вблизи активной зоны ядерного реактора, выяснили исследователи из Окриджской национальной лаборатории (ORNL). Это открытие может позволить размещать электронные компоненты ближе к датчикам в работающем реакторе, что приведет к более точным и аккуратным измерениям, а также к повышению безопасности и эксплуатационных преимуществ.
Датчики используются для сбора информации с реактора и позволяют выявить потенциальные неполадки оборудования до их возникновения, что помогает предотвратить дорогостоящие внеплановые остановки. Но сложные схемы, к которым подключаются датчики, должны располагаться вдали от активной зоны реактора, чтобы защитить электронику от тепла и радиации. Длинные кабели, по которым передаются данные с датчиков, могут наводить дополнительные помехи и ухудшать сигнал.
Нитрид галлия - это так называемый широкополосный полупроводник, который более устойчив к нагреву и радиации, чем кремний, и является коммерчески доступным, хотя в настоящее время не имеет широкого применения. Исследователи из лаборатории Министерства энергетики США проверили его свойства, поместив транзисторы из нитрида галлия рядом с активной зоной исследовательского реактора в Университете штата Огайо, где они успешно выдерживали сильное тепло и радиацию в течение трех дней подряд. Транзисторы смогли выдержать в 100 раз большую накопленную дозу радиации, чем стандартные кремниевые устройства, при устойчивой температуре 125°C, что превзошло все ожидания.
"Мы рассчитывали, что транзисторы выйдут из строя на третий день, а они выжили", - сказал ведущий исследователь Кайл Рид, сотрудник группы сенсоров и электроники ORNL, добавив, что эта работа делает измерение условий внутри действующего ядерного реактора "более надежным и точным".
Подвергнув транзисторы многодневному воздействию высокого уровня радиации в активной зоне реактора, исследователи пришли к выводу, что транзисторы из нитрида галлия способны проработать в реакторе не менее пяти лет, что является нормальным сроком обслуживания таких компонентов.
Исследование также может оказаться важным для перспективных микрореакторов, которым из-за их компактных размеров потребуются датчики, способные выдерживать более неблагоприятные условия радиации, чем ныне действующие реакторы. Однако испытания, проведенные в Университете штата Огайо, показали, что тепло оказалось более опасным для нитрида галлия, чем радиация. Сейчас исследователи работают над тем, чтобы глубже понять влияние тепла.
По словам Дианы Эзелл, руководителя группы ORNL по ядерным и экстремальным измерениям, улучшение контроля за ядерными реакторами означает повышение безопасности и снижение эксплуатационных расходов, а сокращение частоты перерывов в обслуживании снижает риски для безопасности людей.
"Каждый день, когда реактор останавливается, теряются сотни тысяч долларов", - сказала она. "Если мы хотим сделать атомную энергетику экономически конкурентоспособной по сравнению с другими источниками энергии, мы должны обеспечивать низкие затраты", - сказала она, - "Вы можете не подвергать людей воздействию радиации и не работать с радиоактивными материалами так часто."
