Transistor robuste au nitrure de gallium : surveillance renforcée de la sûreté nucléaire

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

La sûreté et l'efficacité d'un grand réacteur nucléaire complexe peuvent être améliorées par un matériel aussi simple qu'un minuscule capteur surveillant un système de refroidissement. C'est pourquoi les chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du Département de l'Énergie travaillent à rendre ces capteurs de base plus précis en les associant à une électronique capable de résister aux radiations intenses à l'intérieur d'un réacteur.

L'équipe de recherche de l'ORNL a récemment obtenu un succès inattendu en utilisant un semi-conducteur au nitrure de gallium pour l'électronique de capteurs. Un transistor fait de ce matériau a maintenu ses opérations près du cœur d'un réacteur nucléaire exploité par le partenaire de recherche, l'Université d'État de l'Ohio.

Le nitrure de gallium, un semi-conducteur à large bande interdite, avait déjà été testé contre les radiations ionisantes rencontrées lorsque les fusées traversent l'espace. Les dispositifs à large bande interdite peuvent fonctionner à des fréquences, températures et taux d'irradiation bien plus élevés. Mais le nitrure de gallium n'avait pas affronté les radiations encore plus intenses du bombardement neutronique. « Nous montrons qu'il est excellent pour cet environnement neutronique », déclare le chercheur principal Kyle Reed, membre du groupe Capteurs et Électronique à l'ORNL.

Cela pourrait offrir un gros coup de pouce pour la surveillance d'équipement dans les installations nucléaires. L'information collectée par les capteurs fournit des alertes précoces sur l'usure de l'équipement, permettant une maintenance opportune pour éviter des pannes plus larges causant l'arrêt du réacteur. Actuellement, ces données de détection sont traitées à distance, via des dizaines de mètres de câbles connectés à une électronique à transistors à base de silicium.

« Notre travail rend la mesure des conditions à l'intérieur d'un réacteur nucléaire en fonctionnement plus robuste et précise », dit Reed. « Quand vous avez de longs câbles, vous vous retrouvez avec beaucoup de bruit, ce qui peut interférer avec la précision de l'information du capteur. En plaçant l'électronique plus près d'un capteur, vous augmentez sa précision et sa justesse. » Pour atteindre cet objectif, les scientifiques doivent développer une électronique qui tolère mieux les radiations.

Les chercheurs ont irradié des transistors au nitrure de gallium pendant trois jours à des températures jusqu'à 125 °C près du cœur du réacteur de recherche de l'Université d'État de l'Ohio. « Nous nous attendions à tuer les transistors au troisième jour, et ils ont survécu », dit 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 ont pu gérer au moins 100 fois la dose accumulée de radiations qu'un dispositif standard au silicium, selon la chercheuse Dianne Ezell, cheffe du groupe Mesures nucléaires et environnements extrêmes de l'ORNL et membre de l'équipe de recherche sur les transistors.

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

C'est une avancée technique importante alors que l'attention se tourne de la flotte existante de grandes centrales nucléaires vers les microréacteurs qui pourraient générer de dizaines à des centaines de mégawatts. Bien que ces nouveaux designs de réacteurs soient encore aux stades de développement et de licence, leur portabilité potentielle pourrait permettre leur déploiement sur le plateau 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. Comme les microréacteurs seront si compacts, tous les composants d'exploitation, y compris les capteurs, devront pouvoir fonctionner dans le champ de radiations, dit Ezell. Les transistors au nitrure de gallium pourraient être la clé.

Des chercheurs de l'Ohio State ont construit des dispositifs de différents designs et tailles pour répondre aux spécifications fixées par l'ORNL, puis l'équipe a comparé leurs réponses aux radiations, constatant que les dispositifs plus grands semblaient moins sensibles aux dommages radiatifs. L'Ohio State développe maintenant des modèles informatiques pour projeter comment divers designs de circuits performeront sous différentes températures et niveaux de radiations.

Reed dit que les tests de radiations à l'Ohio State ont montré que la chaleur semblait plus nocive pour le nitrure de gallium que les radiations. L'équipe de recherche veut donc mesurer comment le nitrure de gallium réagit à la chaleur seule. « Puisque l'objectif final est de concevoir des circuits avec ces matériaux, une fois que nous comprenons les effets de température et de radiations, nous pouvons les compenser dans la conception du circuit », dit Reed.

Une meilleure surveillance nucléaire signifie une sécurité accrue et des coûts d'exploitation réduits, note Ezell. « Des centaines de milliers de dollars sont perdus chaque jour où un réacteur est arrêté », dit-elle. « Si nous voulons rendre le nucléaire économiquement compétitif avec les autres industries énergétiques, nous devons maintenir nos coûts bas. » De plus, réduire la fréquence de maintenance réduit les risques pour la sécurité humaine. « Vous évitez d'exposer des personnes à des environnements radiatifs hostiles ou de manipuler du matériel radioactif aussi souvent », ajoute Ezell.

Bien que le nitrure de gallium soit disponible commercialement depuis environ une décennie, il n'est pas largement utilisé, dit Reed. « Nous ouvrons différentes voies d'utilisation du nitrure de gallium, pour commencer à créer une demande de marché plus raisonnable pour l'investissement, la recherche et le développement de la main-d'œuvre pour des sous-classes d'électronique au-delà du grand public », dit Reed.

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

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