Un transistor révolutionnaire et robuste améliore la surveillance de la sécurité des réacteurs nucléaires

Electronique et capteurs INSIDER

Kyle Reed de l'ORNL a dirigé une équipe testant un nouveau type de transistor robuste fabriqué par ORNL dans la piscine du réacteur alors qu'il brille sous l'effet des radiations au laboratoire du réacteur nucléaire de l'Ohio State University. (Image :Michael Huson/Université d'État de l'Ohio)

La sécurité et l’efficacité d’un grand réacteur nucléaire complexe peuvent être améliorées par un matériel aussi simple qu’un minuscule capteur qui surveille un système de refroidissement. C'est pourquoi les chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie s'efforcent de rendre ces capteurs de base plus précis en les associant à des composants électroniques capables de résister aux rayonnements intenses à l'intérieur d'un réacteur.

L’équipe de recherche de l’ORNL a récemment rencontré un succès inattendu en utilisant un semi-conducteur au nitrure de gallium pour l’électronique des capteurs. Un transistor fabriqué avec ce matériau a maintenu ses opérations près du cœur d'un réacteur nucléaire exploité par son partenaire de recherche, l'Ohio State University.

Le nitrure de gallium, un semi-conducteur à large bande interdite, avait déjà été testé contre les rayonnements ionisants rencontrés lorsque les fusées traversent l'espace. Les dispositifs dotés de semi-conducteurs à large bande interdite peuvent fonctionner à des fréquences, des températures et des taux d’irradiation beaucoup plus élevés. Mais le nitrure de gallium n’avait pas été confronté au rayonnement encore plus intense du bombardement neutronique. "Nous montrons que c'est formidable pour cet environnement neutronique", a déclaré le chercheur principal Kyle Reed, membre du groupe Capteurs et électronique de l'ORNL.

Cela pourrait grandement améliorer la surveillance des équipements dans les installations nucléaires. Les informations recueillies par les capteurs fournissent des alertes précoces sur l'usure des équipements, permettant une maintenance en temps opportun pour éviter des pannes d'équipement plus importantes qui entraînent un arrêt du réacteur. Actuellement, ces données de détection sont traitées à distance, via des mètres de câbles connectés à des composants électroniques avec des transistors à base de silicium.

"Notre travail rend la mesure des conditions à l'intérieur d'un réacteur nucléaire en fonctionnement plus robuste et plus précise", a déclaré Reed. "Lorsque vous utilisez de longs câbles, vous vous retrouvez avec beaucoup de bruit, ce qui peut interférer avec l'exactitude des informations du capteur. En plaçant l'électronique plus près d'un capteur, vous augmentez sa précision et sa précision." Pour atteindre cet objectif, les scientifiques doivent développer une électronique capable de mieux tolérer les rayonnements.

Les chercheurs ont irradié des transistors au nitrure de gallium pendant trois jours à des températures allant jusqu'à 125 degrés Celsius, à proximité du cœur du réacteur de recherche de l'Ohio State University. "Nous nous attendions vraiment à tuer les transistors le troisième jour, et ils ont survécu", a déclaré Reed. L'équipe a poussé les transistors jusqu'au seuil de sécurité du réacteur :sept heures à 90 % de puissance.

Les transistors au nitrure de gallium étaient capables de gérer une dose accumulée de rayonnement au moins 100 fois supérieure à celle d'un dispositif au silicium standard, a déclaré la chercheuse Dianne Ezell, responsable du groupe de mesures nucléaires et d'environnements extrêmes de l'ORNL et membre de l'équipe de recherche sur les transistors.

Elle a déclaré que le matériau du transistor doit être capable de survivre au moins cinq ans, la fenêtre normale de maintenance, dans la piscine d'un réacteur nucléaire. Après que l'équipe de recherche ait exposé le dispositif au nitrure de gallium à des niveaux de rayonnement beaucoup plus élevés dans le noyau lui-même, ils ont conclu que les transistors dépasseraient cette exigence.

Il s’agit d’une avancée technique importante alors que l’attention se tourne du parc de centrales nucléaires existantes à grande échelle vers des microréacteurs qui pourraient produire de dizaines à des centaines de mégawatts d’énergie. Bien que ces nouveaux modèles de réacteurs soient encore en phase de développement et d'autorisation, leur portabilité potentielle pourrait leur permettre d'être déployés à l'arrière d'un camion vers une zone militaire ou sinistrée.

Les réacteurs avancés sont conçus pour fonctionner à des températures plus élevées en utilisant différentes formes de combustible. Les microréacteurs étant très compacts, tous les composants opérationnels, y compris les capteurs, devront pouvoir fonctionner dans le champ de rayonnement, a déclaré Ezell. Les transistors au nitrure de gallium pourraient être la clé.

Les chercheurs de l'État de l'Ohio ont construit des appareils de différentes conceptions et tailles pour répondre aux spécifications fixées par l'ORNL, puis l'équipe a comparé leurs réponses aux radiations, constatant que les appareils plus grands semblaient moins sensibles aux dommages causés par les radiations. L'État de l'Ohio développe actuellement des modèles informatiques pour projeter les performances de diverses conceptions de circuits sous différentes températures et niveaux de rayonnement.

Reed a déclaré que les tests de rayonnement effectués dans l'État de l'Ohio ont montré que la chaleur semblait être plus nocive pour le nitrure de gallium que le rayonnement. L’équipe de recherche souhaite donc mesurer la façon dont le nitrure de gallium réagit à la seule chaleur. "Comme le but ultime est de concevoir des circuits avec ces matériaux, une fois que nous comprenons les effets de la température et du rayonnement, nous pouvons les compenser dans la conception du circuit", a déclaré Reed.

Une meilleure surveillance nucléaire signifie une sécurité accrue et une réduction des coûts d'exploitation, a noté Ezell. « Des centaines de milliers de dollars sont perdus chaque jour où un réacteur est arrêté », a-t-elle déclaré. « Si nous voulons rendre le nucléaire économiquement compétitif par rapport aux autres industries énergétiques, nous devons maintenir nos coûts à un niveau bas. » De plus, la réduction de la fréquence de maintenance réduit les risques pour la sécurité humaine. "Vous pouvez éviter de placer les gens dans des environnements radioactifs difficiles ou de manipuler des matières radioactives aussi souvent", a ajouté Ezell.

Bien que le nitrure de gallium soit disponible dans le commerce depuis environ une décennie, il n’est pas largement utilisé, a déclaré Reed. "Nous ouvrons différentes voies secondaires pour l'utilisation du nitrure de gallium, afin que nous puissions commencer à créer une demande de marché plus raisonnable en matière d'investissement, de recherche et de développement de la main-d'œuvre pour des sous-classes d'électronique au-delà du niveau grand public", a déclaré Reed.

À terme, les chercheurs aimeraient démontrer que des circuits en nitrure de gallium pourraient être utilisés pour transmettre sans fil les données des capteurs. Le matériau est déjà utilisé pour les appareils prenant en charge les applications de radiofréquence, comme les téléphones portables et l'électronique de puissance.

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