O revolucionário transistor Hardy melhora o monitoramento da segurança do reator nuclear

Eletrônicos e Sensores INSIDER
Kyle Reed, do ORNL, liderou uma equipe que testou um novo tipo de transistor resistente feito pelo ORNL no conjunto do reator enquanto ele brilha com radiação no laboratório do Reator Nuclear da Universidade Estadual de Ohio. (Imagem:Michael Huson/Universidade Estadual de Ohio)
A segurança e a eficiência de um reator nuclear grande e complexo podem ser melhoradas por hardware tão simples quanto um pequeno sensor que monitora um sistema de resfriamento. É por isso que os pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, estão trabalhando para tornar esses sensores básicos mais precisos, combinando-os com componentes eletrônicos que possam suportar a intensa radiação dentro de um reator.

A equipe de pesquisa do ORNL obteve recentemente um sucesso inesperado usando um semicondutor de nitreto de gálio para sensores eletrônicos. Um transistor feito com esse material manteve as operações perto do núcleo de um reator nuclear operado pela parceira de pesquisa The Ohio State University.

O nitreto de gálio, um semicondutor de banda larga, já havia sido testado contra a radiação ionizante encontrada quando foguetes são lançados no 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 enfrentou a radiação ainda mais intensa do bombardeio de nêutrons. “Estamos mostrando que é ótimo para este ambiente de nêutrons”, disse o pesquisador principal Kyle Reed, membro do grupo de Sensores e Eletrônica do ORNL.

Isso poderia oferecer um grande impulso para o monitoramento de equipamentos em instalações nucleares. As informações coletadas pelos sensores fornecem avisos antecipados sobre o desgaste dos equipamentos, permitindo a manutenção oportuna para evitar falhas mais amplas nos equipamentos que causam paralisação do reator. Atualmente, esses dados de detecção são processados ​​à distância, por meio de metros de cabo conectado à eletrônica com transistores à base de silício.

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

Os pesquisadores irradiaram transistores de nitreto de gálio por três dias em temperaturas de até 125 graus Celsius perto do núcleo do reator de pesquisa da Universidade Estadual de Ohio. “Esperávamos matar os transistores no terceiro dia e eles sobreviveram”, disse Reed. A equipe empurrou os transistores até o limite de segurança do reator:sete horas com 90% de potência.

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

Ela disse que o material do transistor precisa ser capaz de sobreviver por pelo menos cinco anos, a janela normal de manutenção, na piscina de um reator nuclear. Depois que a equipe de pesquisa expôs o dispositivo de nitreto de gálio a dias de níveis de radiação muito mais elevados 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 frota existente de centrais de energia nuclear em grande escala para microrreatores que poderiam gerar de dezenas a centenas de megawatts de energia. Embora estes novos projetos de reatores ainda estejam em fase de desenvolvimento e licenciamento, a sua portabilidade potencial poderia permitir que fossem implantados na traseira de um caminhão para uma zona militar ou de desastre.

Reatores avançados estão sendo projetados para operar em temperaturas mais altas, utilizando diferentes formas de combustível. Como os microrreatores serão tão compactos, todos os componentes operacionais, incluindo os sensores, deverão ser capazes de funcionar no campo de radiação, disse Ezell. Os transistores de nitreto de gálio podem ser a chave.

Os pesquisadores do estado de Ohio construíram dispositivos de diferentes designs e tamanhos para atender às especificações definidas pelo ORNL, e então a equipe comparou suas respostas à radiação, descobrindo que dispositivos maiores pareciam menos suscetíveis aos danos da radiação. A Ohio State está agora desenvolvendo modelos de computador para projetar o desempenho de vários projetos de circuitos sob diferentes temperaturas e níveis de radiação.

Reed disse que os testes de radiação no estado de Ohio mostraram que o calor parecia ser mais prejudicial ao nitreto de gálio do que a radiação. Assim, a equipe de pesquisa quer medir como o nitreto de gálio reage apenas ao calor. “Como o objetivo final é projetar circuitos com esses materiais, uma vez que entendemos os efeitos da temperatura e da radiação, podemos compensá-los no projeto do circuito”, disse Reed.

Um melhor monitoramento nuclear significa maior segurança e redução de custos operacionais, observou Ezell. “Centenas de milhares de dólares são perdidos todos os dias em que um reator é desligado”, disse ela. “Se quisermos tornar a energia nuclear economicamente competitiva com outras indústrias energéticas, temos de manter os nossos custos baixos.” Além disso, a redução da frequência da manutenção reduz os riscos para a segurança humana. “Você pode evitar colocar pessoas em ambientes agressivos de radiação ou manusear materiais radioativos com tanta frequência”, acrescentou Ezell.

Embora o nitreto de gálio esteja disponível comercialmente há cerca de uma década, não é amplamente utilizado, disse Reed. “Estamos abrindo diferentes caminhos para o uso de nitreto de gálio, para que possamos começar a criar uma demanda de mercado mais razoável por investimento, pesquisa e desenvolvimento de força de trabalho para subclasses de eletrônicos além do nível de consumo”, disse Reed.

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

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