혁신적인 내구성 트랜지스터로 원자로 안전 모니터링 강화

전자 및 센서 내부자

ORNL의 Kyle Reed는 오하이오 주립 대학 원자로 실험실에서 방사선으로 빛을 발하는 원자로 풀에서 ORNL이 만든 견고한 새로운 유형의 트랜지스터를 테스트하는 팀을 이끌었습니다. (이미지:Michael Huson/오하이오 주립대학교)

크고 복잡한 원자로의 안전성과 효율성은 냉각 시스템을 모니터링하는 작은 센서만큼 간단한 하드웨어로 향상될 수 있습니다. 그렇기 때문에 에너지부 산하 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 연구원들은 원자로 내부의 강력한 방사선을 견딜 수 있는 전자 장치와 기본 센서를 결합하여 이러한 기본 센서를 더욱 정확하게 만들기 위해 노력하고 있습니다.

ORNL 연구팀은 최근 센서 전자장치에 질화갈륨 반도체를 사용하여 예상치 못한 높은 성공을 거두었습니다. 해당 물질로 제작된 트랜지스터는 연구 파트너인 오하이오 주립대학교가 운영하는 원자로 노심 근처에서 작동을 유지했습니다.

광대역 밴드갭 반도체인 질화갈륨은 이전에 로켓이 우주를 돌진할 때 발생하는 이온화 방사선에 대해 테스트되었습니다. 넓은 밴드갭 반도체를 갖춘 장치는 훨씬 더 높은 주파수, 온도 및 조사 속도에서 작동할 수 있습니다. 그러나 질화갈륨은 훨씬 더 강렬한 중성자 충격 방사선에 직면하지 않았습니다. ORNL의 센서 및 전자 그룹 소속 선임 연구원인 Kyle Reed는 "우리는 이것이 중성자 환경에 매우 적합하다는 것을 보여주고 있습니다."라고 말했습니다.

이는 원자력 시설의 장비 모니터링을 크게 향상시킬 수 있습니다. 센서를 통해 수집된 정보는 장비의 마모에 대한 조기 경고를 제공하여 시기적절한 유지 관리를 통해 원자로 가동 중지 시간을 유발하는 광범위한 장비 고장을 방지할 수 있습니다. 현재 이 감지 데이터는 실리콘 기반 트랜지스터를 사용하여 전자 장치에 연결된 몇 야드의 케이블을 통해 먼 거리에서 처리됩니다.

Reed는 “우리 연구를 통해 작동 중인 원자로 내부 조건을 더욱 강력하고 정확하게 측정할 수 있게 되었습니다.”라고 말했습니다. "케이블이 길면 노이즈가 많이 발생하여 센서 정보의 정확성을 방해할 수 있습니다. 전자 장치를 센서에 더 가깝게 배치하면 정확도와 정밀도가 높아집니다." 그 목표를 달성하기 위해 과학자들은 방사선에 더 잘 견딜 수 있는 전자 장치를 개발해야 합니다.

연구원들은 오하이오 주립대학교 연구용 원자로의 노심에 가까운 최대 섭씨 125도의 온도에서 3일 동안 질화갈륨 트랜지스터를 조사했습니다. Reed는 "우리는 3일 만에 트랜지스터를 죽일 것으로 예상했고 트랜지스터는 살아 남았습니다."라고 말했습니다. 팀은 트랜지스터를 원자로의 안전 임계값인 90% 전력에서 7시간까지 밀어붙였습니다.

ORNL 핵 및 극한 환경 측정 그룹의 리더이자 트랜지스터 연구팀의 일원인 Dianne Ezell 연구원은 질화갈륨 트랜지스터가 표준 실리콘 장치보다 최소 100배 더 높은 누적 방사선량을 처리할 수 있었다고 말했습니다.

그녀는 트랜지스터 재료가 원자로 수영장에서 정상적인 유지 관리 기간인 최소 5년 동안 생존할 수 있어야 한다고 말했습니다. 연구팀은 질화갈륨 장치를 코어 자체 내에서 며칠 동안 훨씬 더 높은 방사선 수준에 노출한 후 트랜지스터가 해당 요구 사항을 초과할 것이라는 결론을 내렸습니다.

이는 기존의 대규모 원자력 발전소에서 수십 메가와트에서 수백 메가와트의 전력을 생산할 수 있는 마이크로 원자로로 관심이 옮겨짐에 따라 중요한 기술 발전입니다. 이러한 새로운 원자로 설계는 아직 개발 및 허가 단계에 있지만 잠재적인 휴대성을 통해 트럭 뒤에 싣고 군대나 재난 지역에 배치할 수 있습니다.

첨단 원자로는 다양한 형태의 연료를 사용하여 더 높은 온도에서 작동하도록 설계되고 있습니다. 마이크로반응기는 매우 작기 때문에 센서를 포함한 모든 작동 구성요소는 방사선장에서 기능할 수 있어야 한다고 Ezell은 말했습니다. 질화갈륨 트랜지스터가 핵심이 될 수 있습니다.

오하이오 주립대 연구원들은 ORNL이 정한 사양을 충족하기 위해 다양한 디자인과 크기의 장치를 제작한 후 방사선에 대한 반응을 비교한 결과 더 큰 장치가 방사선 손상에 덜 취약한 것으로 나타났습니다. 오하이오 주립대는 현재 다양한 온도와 방사선 수준에서 다양한 회로 설계가 어떻게 작동하는지 예측하기 위한 컴퓨터 모델을 개발하고 있습니다.

Reed는 오하이오 주립대학의 방사선 테스트에서 열이 방사선보다 갈륨 질화물에 더 해로운 것으로 나타났다고 말했습니다. 그래서 연구팀은 질화갈륨이 열에만 어떻게 반응하는지 측정하고자 합니다. “궁극적인 목표는 이러한 재료로 회로를 설계하는 것이므로 온도와 복사 효과를 이해하면 회로 설계에서 이를 보상할 수 있습니다.”라고 리드는 말했습니다.

원자력 모니터링 개선은 안전성 향상과 운영 비용 절감을 의미한다고 Ezell은 말했습니다. 그녀는 “원자로가 폐쇄되는 날마다 수십만 달러의 손실이 발생한다”고 말했다. “원자력을 다른 에너지 산업과 경제적으로 경쟁력 있게 만들려면 비용을 낮게 유지해야 합니다.” 또한 유지보수 빈도를 줄이면 인명 안전 위험도 줄어듭니다. Ezell은 "사람들을 혹독한 방사선 환경에 노출시키거나 방사성 물질을 자주 취급하는 것을 피할 수 있습니다"라고 덧붙였습니다.

갈륨 질화물은 약 10년 동안 상업적으로 이용 가능했지만 널리 사용되지는 않았다고 Reed는 말했습니다. Reed는 "우리는 질화갈륨을 사용하기 위한 다양한 부수적 방법을 개척하고 있으므로 소비자 등급 이상의 전자 제품 하위 클래스에 대한 투자, 연구 및 인력 개발에 대한 보다 합리적인 시장 수요를 창출할 수 있습니다"라고 말했습니다.

장기적으로 연구자들은 질화갈륨 회로를 사용하여 센서에서 데이터를 무선으로 전송할 수 있음을 입증하고 싶습니다. 이 소재는 이미 휴대폰, 전력 전자 장치 등 무선 주파수 응용 분야를 지원하는 장치에 사용되고 있습니다.

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