美國國家實(shí)驗(yàn)室證明半導(dǎo)體可以在核反應(yīng)堆附近生存

2024年6月25日，美國國家核能辦公室發(fā)表聲明，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的一項(xiàng)新研究證明氮化鎵半導(dǎo)體可以在核反應(yīng)堆核心附近的惡劣環(huán)境中成功存活。

研究發(fā)現(xiàn)

這一發(fā)現(xiàn)可能使得在運(yùn)行中的反應(yīng)堆中將電子元件放置得更靠近傳感器成為可能，從而實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量和更緊湊的設(shè)計(jì)。

這些研究結(jié)果可能有一天會(huì)導(dǎo)致在核反應(yīng)堆中使用無線傳感器，包括目前正在開發(fā)的先進(jìn)小型模塊化和微型反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。

更靠近核心

傳感器用于從核反應(yīng)堆中收集信息，可以在設(shè)備故障發(fā)生前識(shí)別潛在問題。這有助于防止計(jì)劃外停機(jī)，每天可能導(dǎo)致公司損失數(shù)百萬美元的發(fā)電收入。

傳感器連接到復(fù)雜的電路，這些電路通常放置在遠(yuǎn)離反應(yīng)堆核心的地方，以保護(hù)電子設(shè)備免受熱和輻射的影響。

結(jié)果是，數(shù)據(jù)通過長電纜進(jìn)行處理，可能會(huì)拾取額外的噪音并降低信號(hào)質(zhì)量。

為了縮短電纜并提高傳感器的準(zhǔn)確性和精度，ORNL研究人員探索了使用氮化鎵作為替代硅基晶體管的可能性。氮化鎵通常用于消費(fèi)電子產(chǎn)品中，是一種更能抵抗熱和輻射的寬帶隙半導(dǎo)體材料。

氮化鎵的耐熱性

ORNL研究人員將氮化鎵晶體管放置在俄亥俄州立大學(xué)的一個(gè)研究反應(yīng)堆核心附近，這些晶體管成功地經(jīng)受了連續(xù)三天的高熱和輻射測(cè)試，在反應(yīng)堆功率達(dá)到90%的情況下記錄了7小時(shí)。

這些晶體管能夠承受比標(biāo)準(zhǔn)硅設(shè)備高出100倍的累計(jì)輻射劑量，并在125攝氏度的持續(xù)溫度下運(yùn)行——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了團(tuán)隊(duì)的初期預(yù)期。

“我們完全預(yù)期在第三天會(huì)殺死晶體管，但它們幸存了下來，”研究負(fù)責(zé)人、ORNL傳感器和電子小組成員Kyle Reed說道。“我們的工作使得測(cè)量運(yùn)行中的核反應(yīng)堆內(nèi)部條件變得更加穩(wěn)健和準(zhǔn)確。”

研究表明，氮化鎵晶體管能夠在反應(yīng)堆中存活至少五年，這是電子設(shè)備需要與維護(hù)計(jì)劃保持一致的最短時(shí)間，從而避免了不必要的停機(jī)來更換失效組件。

這項(xiàng)研究對(duì)于先進(jìn)的微型反應(yīng)堆來說也可能是一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，由于其緊湊的尺寸，這些反應(yīng)堆需要能夠承受比目前美國反應(yīng)堆更惡劣的輻射條件的傳感器。