혁신적 강건 트랜지스터로 원자로 안전 모니터링 강화

갈륨 나이트라이드 트랜지스터, 원자로 핵심부 중성자 방사선 환경에서 생존 입증

대형 복합 원자로의 안전성과 효율성은 냉각 시스템을 모니터링하는 작은 센서 같은 단순한 하드웨어로 향상될 수 있습니다. 그래서 에너지부 오크리지 국립연구소(ORNL) 연구자들은 원자로 내부의 강렬한 방사선을 견딜 수 있는 전자장치와 기본 센서를 짝지어 그 정확도를 높이는 작업을 하고 있습니다.

ORNL 연구팀은 최근 센서 전자장치용 갈륨 나이트라이드(Gallium Nitride) 반도체를 사용해 예상치 못한 높은 성공을 거두었습니다. 이 물질로 만든 트랜지스터가 연구 파트너인 오하이오 주립대학이 운영하는 원자로의 핵심부 근처에서 작동을 유지했습니다.

와이드 밴드갭 반도체의 잠재력

갈륨 나이트라이드는 와이드 밴드갭 반도체로, 로켓이 우주를 돌진할 때 마주치는 이온화 방사선에 대해선 이전에 테스트된 바 있습니다. 와이드 밴드갭 반도체 소자는 훨씬 더 높은 주파수, 온도, 조사율에서 동작할 수 있습니다. 하지만 갈륨 나이트라이드는 중성자 폭격이라는 훨씬 더 강렬한 방사선에 직면한 적은 없었습니다. "우리는 이것이 중성자 환경에서도 훌륭하다는 것을 보여주고 있습니다."라고 ORNL 센서 및 전자장치 그룹 멤버인 수석 연구원 카일 리드는 말했습니다.

장비 모니터링의 큰 진전

이는 원자력 시설의 장비 모니터링에 큰 진전을 제공할 수 있습니다. 센서가 수집하는 정보는 장비 마모에 대한 조기 경보를 제공하여, 원자로 가동 중단을 초래하는 더 광범위한 장비 고장을 피하기 위한 적시 유지보수를 가능하게 합니다. 현재 이 센싱 데이터는 실리콘 기반 트랜지스터를 가진 전자장치에 연결된 수야드 길이의 케이블을 통해 원거리에서 처리됩니다.

"우리의 작업은 작동 중인 원자력 원자로 내부의 조건 측정을 더 견고하고 정확하게 만듭니다."라고 리드는 말했습니다. "긴 케이블을 사용하면 많은 노이즈가 발생해 센서 정보의 정확도를 방해할 수 있습니다. 전자장치를 센서 가까이에 배치하면 정확도와 정밀도를 높일 수 있습니다." 이를 위해 과학자들은 방사선을 더 잘 견딜 수 있는 전자장치를 개발해야 합니다.

극한 조건에서의 테스트 결과

연구자들은 오하이오 주립대학 연구 원자로의 핵심부 근처에서 섭씨 125도까지의 온도에서 3일간 갈륨 나이트라이드 트랜지스터를 조사했습니다. "우리는 3일째에 트랜지스터가 죽을 거라고 완전히 예상했는데, 살아남았습니다."라고 리드는 말했습니다. 팀은 원자로 안전 임계치인 90% 출력에서 7시간까지 트랜지스터를 밀어붙였습니다.

갈륨 나이트라이드 트랜지스터는 표준 실리콘 소자보다 최소 100배 더 높은 누적 방사선 선량을 견딜 수 있었다고 연구원 다이앤 에젤, ORNL 핵 및 극한 환경 측정 그룹 리더이자 트랜지스터 연구팀 멤버는 말했습니다.

그녀는 트랜지스터 물질이 원자로 풀에서 정상 유지보수 주기인 최소 5년간 생존할 수 있어야 한다고 말했습니다. 연구팀이 핵심부 내부에서 훨씬 더 높은 방사선 레벨에 며칠간 갈륨 나이트라이드 소자를 노출시킨 후, 트랜지스터가 그 요구사항을 초과할 것이라고 결론지었습니다.

마이크로리액터 시대 대비

이것은 대규모 기존 원자력 발전소에서 수십~수백 메가와트 전력을 생성할 수 있는 마이크로리액터로 관심이 이동하는 시점에서 중요한 기술적 진전입니다. 이러한 새로운 원자로 설계는 여전히 개발 및 인허가 단계에 있지만, 잠재적 휴대성으로 군대나 재난 지역에 트럭 뒤에 실려 배치될 수 있습니다.

첨단 원자로는 더 높은 온도에서 다른 형태의 연료를 사용해 작동하도록 설계되고 있습니다. 마이크로리액터가 매우 컴팩트하기 때문에 센서를 포함한 모든 작동 구성요소가 방사선장에서 기능해야 할 것입니다. 갈륨 나이트라이드 트랜지스터가 열쇠가 될 수 있다고 에젤은 말했습니다.

열 영향 연구 및 무선 전송 목표

오하이오 주립대학 연구진은 ORNL이 설정한 사양에 맞춰 다양한 설계와 크기의 소자를 제작한 후 방사선 반응을 비교했고, 더 큰 소자가 방사선 손상에 덜 취약한 것 같다는 것을 발견했습니다. 오하이오 주립대학은 이제 다양한 온도와 방사선 레벨에서 다양한 회로 설계가 어떻게 수행될지 예측하는 컴퓨터 모델을 개발하고 있습니다.

리드는 오하이오 주립대학에서의 방사선 테스트가 열이 갈륨 나이트라이드에 방사선보다 더 해로운 것으로 보였음을 보여줬다고 말했습니다. 그래서 연구팀은 갈륨 나이트라이드가 열 단독에 어떻게 반응하는지 측정하고자 합니다. "최종 목표가 이 물질들로 회로를 설계하는 것이므로, 일단 온도와 방사선 효과를 이해하면 회로 설계에서 그것들을 보상할 수 있습니다."라고 리드는 말했습니다.

더 나은 원자력 모니터링은 안전성 증대와 운영 비용 절감을 의미한다고 에젤은 언급했습니다. "원자로가 하루 중단될 때마다 수십만 달러가 손실됩니다."라고 그녀는 말했습니다. "다른 에너지 산업과 경제적으로 경쟁하려면 비용을 낮게 유지해야 합니다." 또한 유지보수 빈도 감소는 인간 안전 위험을 줄입니다. "사람들을 가혹한 방사선 환경에 투입하거나 방사성 물질을 다루는 일을 줄일 수 있습니다."라고 에젤은 덧붙였습니다.

갈륨 나이트라이드가 약 10년 전부터 상업적으로 이용 가능했지만, 널리 사용되지는 않는다고 리드는 말했습니다. "우리는 갈륨 나이트라이드를 소비자급을 넘어 전자장치 하위 클래스에 대한 투자, 연구, 인력 개발을 위한 더 합리적인 시장 수요를 창출할 수 있는 다양한 부수적 길을 열고 있습니다."라고 리드는 말했습니다.

장기적으로 연구자들은 갈륨 나이트라이드 회로가 센서로부터 데이터를 무선으로 전송하는 데 사용될 수 있음을 입증하고자 합니다. 이 물질은 이미 휴대전화 같은 무선 주파수 애플리케이션을 지원하는 장치와 파워 일렉트로닉스에 사용되고 있습니다.

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