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晶体管材料展现核潜力新型

2024-07-08 14:21          氮化镓半导体 核反应堆 美国X射线晶体学
橡树岭国家实验室 (ORNL) 的研究人员发现,氮化镓半导体能够成功抵御核反应堆核心附近的恶劣环境。这一发现可以使电子元件更靠近运行中的反应堆中的传感器,从而实现更精确、更准确的测量,同时具有安全性和操作性优势。

透过显微镜观察的氮化镓晶体管(图片来源:Kyle Reed/ORNL)

传感器用于收集反应堆信息,并能在设备故障发生前识别潜在故障,从而有助于防止代价高昂的非计划停机。但传感器所连接的复杂电路必须远离反应堆堆芯,以保护电子设备免受热量和辐射的影响。用于从传感器传输数据的长电缆可能会拾取额外的噪音并降低信号质量。

氮化镓是一种所谓的宽带隙半导体,比硅更耐高温和辐射,并且目前已在市场上销售,但目前尚未广泛使用。美国能源部实验室的研究人员将氮化镓晶体管放置在俄亥俄州立大学研究反应堆核心附近,测试了其性能,成功抵御了连续三天的高温和辐射。在持续 125°C 的温度下,晶体管能够承受比标准硅器件高 100 倍的累积辐射剂量,表现超出预期。

凯尔·里德 (Kyle Reed) 和黛安·埃泽尔 (Dianne Ezell) 在反应堆池中测试传感器晶体管时收集数据,从他们身后可以看到 (图片:迈克尔·休森 (Michael Huson)/俄亥俄州立大学)

首席研究员、橡树岭国家实验室传感器与电子小组成员凯尔·里德 (Kyle Reed) 表示:“我们完全预料到晶体管会在第三天被毁坏,但它们却幸存了下来。”他还补充说,这项工作使得测量运行中的核反应堆内部状况“更加可靠和准确”。

通过将晶体管暴露在反应堆核心的高辐射水平下数天,研究人员得出结论,氮化镓晶体管能够在反应堆中存活至少五年,这是此类组件的正常维护窗口。

这项研究对先进微反应堆也可能具有重要意义,因为先进微反应堆体积小,需要能够承受比目前运行的反应堆更恶劣的辐射条件的传感器。然而,俄亥俄州立大学的测试表明,热量对氮化镓的危害比辐射更大。研究人员目前正在进一步了解热量的影响。

ORNL 核能和极端环境测量小组负责人 Dianne Ezell 表示,更好的核能监测意味着安全性的提高和运营成本的降低,而减少维护停机频率则可降低人身安全风险。“每天关闭反应堆都会造成数十万美元的损失,”她说。“如果我们要使核能与其他能源行业在经济上具有竞争力,我们就必须保持低成本,”她说。“这样就可以避免让人们处于恶劣的辐射环境中或经常接触放射性物质



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