El revolucionario transistor Hardy mejora la supervisión de la seguridad de los reactores nucleares

Electrónica y sensores INSIDER

Kyle Reed de ORNL dirigió un equipo que probó 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)

La seguridad y eficiencia de un reactor nuclear grande y complejo se pueden mejorar mediante hardware tan simple como un pequeño sensor que monitorea un sistema de enfriamiento. Es por eso que los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía están trabajando para hacer que esos sensores básicos sean más precisos combinándolos con componentes electrónicos que puedan resistir la intensa radiación dentro de un reactor.

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

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

Esto podría ofrecer un gran impulso para el monitoreo de equipos en instalaciones nucleares. La información recopilada por los sensores proporciona advertencias tempranas sobre el desgaste de los equipos, lo que permite un mantenimiento oportuno para evitar fallas más amplias en los equipos que causan el tiempo de inactividad del reactor. Actualmente, estos datos de detección se procesan a distancia, a través de metros de cable conectados a componentes electrónicos con transistores basados en silicio.

"Nuestro trabajo hace que la medición de las condiciones dentro de un reactor nuclear en funcionamiento sea más sólida y precisa", dijo Reed. "Cuando tienes cables largos, terminas con mucho ruido, lo que puede interferir con la exactitud de la información del sensor. Al colocar la electrónica más cerca de un sensor, aumentas su exactitud y precisión". Para alcanzar ese objetivo, los científicos necesitan desarrollar dispositivos electrónicos que puedan tolerar mejor la radiación.

Los investigadores irradiaron transistores de nitruro de galio durante tres días a temperaturas de hasta 125 grados Celsius cerca del núcleo del reactor de investigación de la Universidad Estatal de Ohio. "Esperábamos que los transistores se apagaran al tercer día y sobrevivieron", dijo Reed. El equipo llevó los transistores hasta el umbral de seguridad del reactor:siete horas al 90 % de potencia.

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

Dijo que el material del transistor debe ser capaz de sobrevivir al menos cinco años, el período 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, llegaron a la conclusión de que los transistores superarían ese requisito.

Se trata de un avance técnico importante, ya que la atención se desplaza de la flota existente a gran escala de plantas de energía nuclear a los microrreactores que podrían generar entre decenas y cientos de megavatios de energía. Aunque estos novedosos diseños de reactores aún se encuentran en la etapa de desarrollo y concesión de licencia, su posible portabilidad podría permitir su despliegue en la parte trasera de un camión en una zona militar o de desastre.

Se están diseñando reactores avanzados para funcionar a temperaturas más altas utilizando diferentes formas de combustible. Como los microrreactores serán tan compactos, todos los componentes operativos, incluidos los sensores, tendrán que poder funcionar en el campo de radiación, dijo Ezell. Los transistores de nitruro de galio podrían ser la clave.

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

Reed dijo que las pruebas de radiación en el estado de Ohio mostraron que el calor parecía ser más dañino para el nitruro de galio que la radiación. Por eso, el equipo de investigación quiere medir cómo reacciona el nitruro de galio únicamente al calor. "Dado que el objetivo final es diseñar circuitos con estos materiales, una vez que comprendamos los efectos de la temperatura y la radiación, podremos compensarlos en el diseño del circuito", afirmó Reed.

Una mejor vigilancia nuclear significa mayor seguridad y menores costos operativos, señaló Ezell. "Cada día que se cierra un reactor se pierden cientos de miles de dólares", afirmó. "Si queremos que la energía nuclear sea económicamente competitiva con otras industrias energéticas, debemos mantener nuestros costos bajos". Además, reducir la frecuencia del mantenimiento reduce los riesgos para la seguridad humana. "Se puede evitar exponer a las personas a entornos de radiación hostiles o manipular material radiactivo con tanta frecuencia", añadió Ezell.

Aunque el nitruro de galio ha estado disponible comercialmente durante aproximadamente una década, no se usa ampliamente, dijo Reed. "Estamos abriendo diferentes vías secundarias para el uso de nitruro de galio, de modo que podamos comenzar a crear una demanda de mercado más razonable para la inversión, la investigación y el desarrollo de la fuerza laboral para subclases de productos electrónicos más allá del grado de consumo", dijo Reed.

A largo plazo, a los investigadores les gustaría demostrar que los circuitos de nitruro de galio podrían usarse para transmitir datos desde sensores de forma inalámbrica. El material ya se utiliza en dispositivos que admiten aplicaciones de radiofrecuencia, como teléfonos móviles y electrónica de potencia.

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