Transistor resistente revoluciona monitoreo de seguridad en reactores nucleares

Electrónica y Sensores INSIDER

Kyle Reed de ORNL lideró un equipo probando un nuevo tipo de transistor resistente fabricado por ORNL en la piscina del reactor mientras brilla con radiación en el laboratorio del Reactor Nuclear de la Universidad Estatal de Ohio. (Imagen: Michael Huson/Universidad Estatal de Ohio)

Mejora en sensores para reactores nucleares

La seguridad y eficiencia de un reactor nuclear grande y complejo puede mejorarse con hardware tan simple como un diminuto sensor que monitorea un sistema de enfriamiento. Por eso investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía están trabajando para hacer esos sensores básicos más precisos al emparejarlos con electrónica que pueda soportar la radiación intensa dentro de un reactor.

Éxito con semiconductores de nitruro de galio

El equipo de investigación de ORNL recientemente logró un éxito inesperadamente alto usando un semiconductor de nitruro de galio para electrónica de sensores. Un transistor hecho con ese material mantuvo operaciones cerca del núcleo de un reactor nuclear operado por el socio investigador Universidad Estatal de Ohio.

El nitruro de galio, un semiconductor de banda ancha, había sido probado previamente contra la radiación ionizante que se encuentra cuando los cohetes se desplazan por el espacio. Los dispositivos con semiconductores de banda ancha pueden operar a frecuencias, temperaturas y tasas de irradiación mucho más altas. Pero el nitruro de galio no había enfrentado la radiación aún más intensa de bombardeo de neutrones. "Estamos demostrando que es genial para este entorno de neutrones", dijo el investigador principal Kyle Reed, miembro del grupo de Sensores y Electrónica en ORNL.

Beneficios para monitoreo de equipos nucleares

Eso podría ofrecer un gran impulso para el monitoreo de equipos en instalaciones nucleares. La información recopilada por sensores proporciona alertas tempranas sobre desgaste en equipos, permitiendo mantenimiento oportuno para evitar fallas de equipos más amplias que causan tiempo de inactividad del reactor. Actualmente, estos datos de detección se procesan a distancia, a través de yardas de cable conectados a electrónica con transistores basados en silicio.

"Nuestro trabajo hace que medir las condiciones dentro de un reactor nuclear en operación sea más robusto y preciso", dijo Reed. "Cuando tienes cables largos, terminas con mucho ruido, que puede interferir con la precisión de la información del sensor. Al colocar electrónica más cerca de un sensor, aumentas su precisión y exactitud". Para cumplir esa meta, los científicos necesitan desarrollar electrónica que pueda tolerar mejor la radiación.

Pruebas extremas y resultados

Los investigadores irradiaron transistores de nitruro de galio por tres días a temperaturas de hasta 125 grados Celsius cerca del núcleo del Reactor de Investigación de la Universidad Estatal de Ohio. "Esperábamos totalmente matar los transistores el tercer día, y sobrevivieron", dijo Reed. El equipo empujó los transistores hasta el umbral de seguridad del reactor: Siete horas al 90% de potencia.

Los transistores de nitruro de galio pudieron manejar al menos 100 veces mayor dosis acumulada de radiación que un dispositivo de silicio estándar, dijo la investigadora Dianne Ezell, líder del grupo de Mediciones Nucleares y de Entornos Extremos de ORNL y miembro del equipo de investigación de transistores.

Ella dijo que el material del transistor necesita ser capaz de sobrevivir al menos cinco años, la ventana de mantenimiento normal, en la piscina de un reactor nuclear. Después de que el equipo de investigación expusiera el dispositivo de nitruro de galio a días de niveles de radiación mucho más altos dentro del propio núcleo, concluyeron que los transistores superarían ese requisito.

Implicaciones para microreactores futuros

Este es un avance técnico importante a medida que la atención se vuelve de la flota existente a gran escala de plantas de energía nuclear a microreactores que podrían generar de decenas a cientos de megavatios de potencia. Aunque estos diseños novedosos de reactores aún están en etapa de desarrollo y licenciamiento, su portabilidad potencial podría permitirles ser desplegados en la parte trasera de un camión a una zona militar o de desastre.

Los reactores avanzados están siendo diseñados para operar a temperaturas más altas usando diferentes formas de combustible. Debido a que los microreactores serán tan compactos, todos los componentes operativos, incluyendo los sensores, tendrán que poder funcionar en el campo de radiación, dijo Ezell. Los transistores de nitruro de galio podrían ser la clave.

Investigación continua y modelado

Investigadores de Ohio State construyeron dispositivos de diferentes diseños y tamaños para cumplir especificaciones establecidas por ORNL, y luego el equipo comparó sus respuestas a la radiación, encontrando que dispositivos más grandes parecían menos susceptibles a daño por radiación. Ohio State está ahora desarrollando modelos computacionales para proyectar cómo varios diseños de circuitos funcionarán bajo diferentes temperaturas y niveles de radiación.

Reed dijo que las pruebas de radiación en Ohio State mostraron que el calor parecía ser más dañino para el nitruro de galio que la radiación. Así que el equipo de investigación quiere medir cómo reacciona el nitruro de galio al calor solo. "Desde que la meta final es diseñar circuitos con estos materiales, una vez que entendamos los efectos de temperatura y radiación, podemos compensarlos en el diseño del circuito", dijo Reed.

Beneficios económicos y de seguridad

Un mejor monitoreo nuclear significa mayor seguridad y costos operativos reducidos, anotó Ezell. "Cientos de miles de dólares se pierden cada día que un reactor se apaga", dijo. "Si vamos a hacer la nuclear económicamente competitiva con otras industrias energéticas, tenemos que mantener nuestros costos bajos". Además, reducir la frecuencia de mantenimiento reduce riesgos de seguridad humana. "Puedes evitar poner a personas en entornos de radiación dura o manejar material radiactivo tan a menudo", agregó Ezell.

Aunque el nitruro de galio ha estado disponible comercialmente por alrededor de una década, no es ampliamente usado, dijo Reed. "Estamos abriendo diferentes avenidas laterales para usar nitruro de galio, para que podamos empezar a crear una demanda de mercado más razonable para inversión, investigación y desarrollo de fuerza de trabajo para subclases de electrónica más allá de grado de consumo", dijo Reed.

A largo plazo, los investigadores querrían demostrar que circuitos de nitruro de galio podrían usarse para transmitir datos de sensores inalámbricamente. El material ya se usa para dispositivos que soportan aplicaciones de radiofrecuencia, como teléfonos celulares, y electrónica de potencia.

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