Transistor Hardy Revolusioner Meningkatkan Pemantauan Keamanan Reaktor Nuklir

INSIDER Elektronik &Sensor

Kyle Reed dari ORNL memimpin tim menguji transistor jenis baru yang kuat dan tahan lama buatan ORNL di kolam reaktor yang bersinar dengan radiasi di laboratorium Reaktor Nuklir Universitas Negeri Ohio. (Gambar:Michael Huson/Universitas Negeri Ohio)

Keamanan dan efisiensi reaktor nuklir yang besar dan kompleks dapat ditingkatkan dengan perangkat keras yang sederhana seperti sensor kecil yang memantau sistem pendingin. Itulah sebabnya para peneliti di Laboratorium Nasional Oak Ridge milik Departemen Energi berupaya membuat sensor dasar tersebut lebih akurat dengan memasangkannya dengan perangkat elektronik yang dapat menahan radiasi intens di dalam reaktor.

Tim peneliti ORNL baru-baru ini mencapai kesuksesan tinggi yang tidak terduga dalam menggunakan semikonduktor galium nitrida untuk elektronik sensor. Transistor yang dibuat dengan bahan tersebut tetap beroperasi di dekat inti reaktor nuklir yang dioperasikan oleh mitra penelitian The Ohio State University.

Gallium nitrida, semikonduktor dengan celah pita lebar, sebelumnya telah diuji terhadap radiasi pengion yang ditemui ketika roket meluncur melintasi ruang angkasa. Perangkat dengan semikonduktor celah pita lebar dapat beroperasi pada frekuensi, suhu, dan laju iradiasi yang jauh lebih tinggi. Namun galium nitrida belum menghadapi radiasi yang lebih hebat dari pemboman neutron. “Kami menunjukkan bahwa hal ini bagus untuk lingkungan neutron ini,” kata ketua peneliti Kyle Reed, anggota kelompok Sensor dan Elektronik di ORNL.

Hal ini dapat memberikan dorongan besar bagi pemantauan peralatan di fasilitas nuklir. Informasi yang dikumpulkan oleh sensor memberikan peringatan dini tentang keausan peralatan, sehingga memungkinkan pemeliharaan tepat waktu untuk menghindari kegagalan peralatan yang lebih luas yang menyebabkan waktu henti reaktor. Saat ini, data penginderaan ini diproses dari jarak jauh, melalui beberapa meter kabel yang terhubung ke elektronik dengan transistor berbasis silikon.

“Pekerjaan kami membuat pengukuran kondisi di dalam reaktor nuklir yang beroperasi menjadi lebih kuat dan akurat,” kata Reed. "Jika Anda memiliki kabel yang panjang, Anda akan mendapatkan banyak kebisingan, yang dapat mengganggu keakuratan informasi sensor. Dengan menempatkan perangkat elektronik lebih dekat ke sensor, Anda meningkatkan keakuratan dan presisinya." Untuk mencapai tujuan tersebut, para ilmuwan perlu mengembangkan perangkat elektronik yang dapat menoleransi radiasi dengan lebih baik.

Para peneliti menyinari transistor galium nitrida selama tiga hari pada suhu hingga 125 derajat Celcius di dekat inti Reaktor Penelitian Universitas Negeri Ohio. “Kami sepenuhnya berharap untuk mematikan transistor pada hari ketiga, dan mereka selamat,” kata Reed. Tim mendorong transistor hingga mencapai ambang keamanan reaktor:Tujuh jam dengan daya 90%.

Transistor galium nitrida mampu menangani akumulasi dosis radiasi setidaknya 100 kali lebih tinggi dibandingkan perangkat silikon standar, kata peneliti Dianne Ezell, pemimpin kelompok Pengukuran Lingkungan Nuklir dan Ekstrim ORNL dan anggota tim peneliti transistor.

Dia mengatakan bahan transistor harus mampu bertahan setidaknya lima tahun, jangka waktu pemeliharaan normal, di kolam reaktor nuklir. Setelah tim peneliti memaparkan perangkat galium nitrida pada suhu berhari-hari dengan tingkat radiasi yang jauh lebih tinggi di dalam inti itu sendiri, mereka menyimpulkan bahwa transistor akan melebihi persyaratan tersebut.

Hal ini merupakan kemajuan teknis yang penting karena perhatian beralih dari pembangkit listrik tenaga nuklir berskala besar ke mikroreaktor yang dapat menghasilkan listrik puluhan hingga ratusan megawatt. Meskipun desain reaktor baru ini masih dalam tahap pengembangan dan perizinan, potensi portabilitasnya memungkinkan reaktor tersebut ditempatkan di belakang truk ke zona militer atau bencana.

Reaktor canggih sedang dirancang untuk beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dengan menggunakan berbagai bentuk bahan bakar. Karena mikroreaktor akan sangat kompak, seluruh komponen operasi, termasuk sensor, harus dapat berfungsi di medan radiasi, kata Ezell. Transistor galium nitrida bisa menjadi kuncinya.

Peneliti Ohio State membuat perangkat dengan desain dan ukuran berbeda untuk memenuhi spesifikasi yang ditetapkan oleh ORNL, dan kemudian tim membandingkan respons mereka terhadap radiasi, dan menemukan bahwa perangkat yang lebih besar tampaknya kurang rentan terhadap kerusakan radiasi. Ohio State kini mengembangkan model komputer untuk memproyeksikan kinerja berbagai desain sirkuit pada suhu dan tingkat radiasi yang berbeda.

Reed mengatakan pengujian radiasi di Ohio State menunjukkan bahwa panas tampaknya lebih berbahaya bagi galium nitrida dibandingkan radiasi. Jadi, tim peneliti ingin mengukur bagaimana galium nitrida bereaksi terhadap panas saja. “Karena tujuan utamanya adalah merancang sirkuit dengan bahan-bahan ini, setelah kami memahami efek suhu dan radiasi, kami dapat mengompensasinya dalam desain sirkuit,” kata Reed.

Pemantauan nuklir yang lebih baik berarti peningkatan keselamatan dan pengurangan biaya pengoperasian, kata Ezell. “Ratusan ribu dolar hilang setiap hari ketika reaktor dimatikan,” katanya. “Jika kita ingin menjadikan nuklir kompetitif secara ekonomi dengan industri energi lainnya, kita harus menjaga biaya tetap rendah.” Selain itu, mengurangi frekuensi pemeliharaan juga mengurangi risiko keselamatan manusia. “Anda dapat menghindari menempatkan orang di lingkungan radiasi yang keras atau menangani bahan radioaktif sesering mungkin,” tambah Ezell.

Meskipun galium nitrida telah tersedia secara komersial selama sekitar satu dekade, namun penggunaannya tidak banyak, kata Reed. “Kami membuka peluang lain untuk menggunakan galium nitrida, sehingga kami dapat mulai menciptakan permintaan pasar yang lebih masuk akal untuk investasi, penelitian, dan pengembangan tenaga kerja untuk subkelas elektronik di luar tingkat konsumen,” kata Reed.

Dalam jangka panjang, para peneliti ingin menunjukkan bahwa sirkuit galium nitrida dapat digunakan untuk mengirimkan data dari sensor secara nirkabel. Materi tersebut sudah digunakan untuk perangkat yang mendukung aplikasi frekuensi radio, seperti ponsel, dan elektronika daya.

Sumber