Transistor Resistente Revolucionário Aprimora Monitoramento de Segurança em Reatores Nucleares

Electronics & Sensors INSIDER

Kyle Reed do ORNL liderou uma equipe testando um novo tipo de transistor resistente, feito pelo ORNL, na piscina do reator enquanto brilha com radiação no laboratório de Reator Nuclear da Universidade Estadual de Ohio. (Imagem: Michael Huson/Universidade Estadual de Ohio)

A segurança e eficiência de um grande e complexo reator nuclear podem ser aprimoradas por hardware tão simples quanto um minúsculo sensor que monitora um sistema de resfriamento. É por isso que pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia estão trabalhando para tornar esses sensores básicos mais precisos, combinando-os com eletrônica que pode suportar a radiação intensa dentro de um reator.

A equipe de pesquisa do ORNL recentemente obteve sucesso inesperadamente alto usando um semicondutor de nitreto de gálio para eletrônica de sensores. Um transistor feito com esse material manteve operações próximas ao núcleo de um reator nuclear operado pelo parceiro de pesquisa Universidade Estadual de Ohio.

Nitreto de gálio, um semicondutor de banda larga, havia sido testado anteriormente contra a radiação ionizante encontrada quando foguetes atravessam o espaço. Dispositivos com semicondutores de banda larga podem operar em frequências, temperaturas e taxas de irradiação muito mais altas. Mas o nitreto de gálio não havia enfrentado a radiação ainda mais intensa de bombardeamento de nêutrons. "Estamos mostrando que é ótimo para este ambiente de nêutrons," disse o pesquisador líder Kyle Reed, membro do grupo de Sensores e Eletrônica no ORNL.

Isso poderia oferecer um grande impulso para monitoramento de equipamentos em instalações nucleares. A informação coletada por sensores fornece alertas precoces sobre desgaste em equipamentos, permitindo manutenção oportuna para evitar falhas mais amplas de equipamentos que causam tempo de inatividade do reator. Atualmente, esses dados de sensoriamento são processados à distância, através de jardas de cabo conectados a eletrônicos com transistores baseados em silício.

"Nosso trabalho torna a medição de condições dentro de um reator nuclear em operação mais robusta e precisa," disse Reed. "Quando você tem cabos longos, você acaba com muito ruído, que pode interferir na precisão da informação do sensor. Colocando eletrônicos mais próximos de um sensor, você aumenta sua precisão e exatidão." Para atingir esse objetivo, cientistas precisam desenvolver eletrônicos que possam tolerar melhor a radiação.

Pesquisadores irradiaram transistores de nitreto de gálio por três dias a temperaturas de até 125 graus Celsius próximos ao núcleo do Reator de Pesquisa da Universidade Estadual de Ohio. "Esperávamos totalmente matar os transistores no terceiro dia, e eles sobreviveram," disse Reed. A equipe levou os transistores até o limite de segurança do reator: Sete horas a 90% de potência.

Os transistores de nitreto de gálio foram capazes de lidar com pelo menos 100 vezes maior dose acumulada de radiação que um dispositivo de silício padrão, disse a pesquisadora Dianne Ezell, líder do grupo de Medidas Nucleares e de Ambientes Extremos do ORNL e membro da equipe de pesquisa de transistores.

Ela disse que o material do transistor precisa ser capaz de sobreviver pelo menos cinco anos, a janela normal de manutenção, na piscina de um reator nuclear. Após a equipe de pesquisa expor o dispositivo de nitreto de gálio a dias de níveis de radiação muito mais altos dentro do próprio núcleo, eles concluíram que os transistores excederiam esse requisito.

Este é um avanço técnico importante à medida que a atenção se volta da grande frota existente de usinas de energia nuclear para microrreatores que poderiam gerar de dezenas a centenas de megawatts de potência. Embora esses novos designs de reatores ainda estejam em estágio de desenvolvimento e licenciamento, sua portabilidade potencial poderia permitir que fossem implantados na carroceria de um caminhão para uma zona militar ou de desastre.

Reatores avançados estão sendo projetados para operar a temperaturas mais altas usando diferentes formas de combustível. Como microrreatores serão tão compactos, todos os componentes operacionais, incluindo os sensores, terão que ser capazes de funcionar no campo de radiação, disse Ezell. Transistores de nitreto de gálio poderiam ser a chave.

Pesquisadores de Ohio State construíram dispositivos de diferentes designs e tamanhos para atender especificações definidas pelo ORNL, e então a equipe comparou suas respostas à radiação, descobrindo que dispositivos maiores pareciam menos suscetíveis a danos por radiação. Ohio State está agora desenvolvendo modelos computacionais para projetar como vários designs de circuitos funcionarão sob diferentes temperaturas e níveis de radiação.

Reed disse que os testes de radiação em Ohio State mostraram que o calor parecia ser mais prejudicial ao nitreto de gálio que a radiação. Então, a equipe de pesquisa quer medir como o nitreto de gálio reage ao calor sozinho. "Como o objetivo final é projetar circuitos com esses materiais, uma vez que entendemos os efeitos de temperatura e radiação, podemos compensá-los no design do circuito," disse Reed.

Melhor monitoramento nuclear significa maior segurança e custos operacionais reduzidos, notou Ezell. "Centenas de milhares de dólares são perdidos a cada dia que um reator é desligado," ela disse. "Se vamos tornar a nuclear economicamente competitiva com outras indústrias de energia, temos que manter nossos custos baixos." Além disso, reduzir a frequência de manutenção reduz riscos de segurança humana. "Você consegue evitar colocar pessoas em ambientes de radiação severa ou manuseando material radioativo com tanta frequência," Ezell adicionou.

Embora o nitreto de gálio esteja disponível comercialmente há cerca de uma década, não é amplamente usado, disse Reed. "Estamos abrindo diferentes avenidas laterais para usar nitreto de gálio, para que possamos começar a criar uma demanda de mercado mais razoável para investimento, pesquisa e desenvolvimento de força de trabalho para subclasses de eletrônicos além do grau de consumidor," disse Reed.

No longo prazo, pesquisadores gostariam de demonstrar que circuitos de nitreto de gálio poderiam ser usados para transmitir dados de sensores sem fio. O material já é usado para dispositivos que suportam aplicações de radiofrequência, como celulares, e eletrônica de potência.

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