947
2024年6月25日，美国能源部核能办公室网站报道， 橡树岭国家实验室（ORNL）研究发现，氮化镓（GaN）半导体能够承受核反应堆堆芯附近的高温高辐射。这一发现可能促成在核反应堆中使用无线传感器，包括目前正在开发的先进小型模块化和微反应堆设计。
用GaN替代传统硅基晶体管
大型复杂核反应堆的安全性和效率需要时刻检测，一般是通过控冷却系统的微型传感器，从核反应堆中收集信息，在设备故障发生前识别潜在问题，从而避免经济损失。传统上做法，为保护电子器件，传感器电路通常被置于远离堆芯的位置，以保护电子设备免受热和辐射的影响，但这也导致了数据传输距离增加，影响信号质量，从而影响数据准确性与精度。
为了帮助缩短布线并提高传感器的准确性和精确度，ORNL研究团队探索了使用GaN替代传统硅基晶体管。GaN是一种宽带隙半导体，在高的频率、高温和高辐照率下工作，比硅基器件更具备优势，以前曾被测试过能抵抗火箭在太空中飞驰时遇到的电离辐射。
氮化镓承受高温，远超预期
ORNL研究人员将GaN晶体管放置在俄亥俄州立大学的一个研究反应堆核心附近，这些晶体管成功地经受了连续三天的高热和辐射测试，在反应堆功率达到90%的情况下记录了7小时。经过为期三天的严苛测试证明，GaN晶体管在125℃持续高温下，承受了比标准硅器件高100倍的累积辐射剂量，远超预期。
“我们预测在第三天辐射会将晶体管损坏，但它们幸存了下来，”首席研究员、ORNL传感器和电子小组成员Kyle Reed说道。“这项成果将显著提升核反应堆内部构件测量的可靠性和精确度。”
研究表明，GaN晶体管有望在反应堆中持续工作至少五年，这是电子设备需要与维护计划保持一致的最短时间，从而避免了不必要的停机来更换失效组件。这对于正在研发的先进微堆尤为重要，由于其设计紧凑，需要能承受更严酷辐射环境的传感器电路。但比起辐射，GaN芯片更容易受到热损伤。“由于最终目标是用这些材料设计电路，一旦我们了解了温度和辐射的影响，我们就可以在电路设计中对其进行补偿，”Reed说。
下一步布局：核电为AI 未来提供动力！
近十年来，GaN 一直被广泛使用，通常用于紧凑型高功率设备，例如笔记本电脑充电器、手机快充等。然而，GaN 的应用范围并不广，因为GaN 比硅更昂贵且更难加工。
尽管如此，GaN 的特性使其成为此类小众应用的理想选择。另外，GaN 芯片已用于太空飞行，它们可以承受火箭离开地球大气层时产生的电离辐射。研究人员期望未来能在此基础上利用GaN电路实现传感器数据的无线传输。
同时，俄亥俄州立大学正在开发计算机模型，以预测不同电路设计在各种温度和辐射条件下的性能。这项研究得到了美国能源部核能办公室资金支持。为该项目做出贡献的 ORNL 研究人员和工作人员包括 Kyle Reed、Dianne Ezell、Nance Erickson、Brett Witherspoon、Craig Gray、Emma Brown、Kevin Deng、Adam Buchalter 和 Caleb Damron。
另外，除了提高传感器精度和记录能力外，GaN 芯片对于开发小型模块化反应堆也至关重要。除了常见的政府和军事应用外，开发这些便携式核电站还可以为我们的 AI 未来提供动力，因为 GPU 每年都变得越来越耗电。
解决电力需求的一个解决方案可能是核电。根据美国能源信息署的数据 ，到 2023 年，美国约有 18.6% 的电力来自核能。尽管目前还没有商业上可行的核聚变反应堆，但一些大型科技公司已经开始大力投资核聚变。美国能源部也正在考虑一个想法，即拥有为人工智能模型提供动力的大型数据中心的科技公司可能会在附近建立“小型核电站”。
美国政府也已经在与科技公司就未来的电力需求进行谈判。事实上，微软正在为其数据中心建造一些这样的核电站，目前已从 Helion Energy 的核聚变发电机购买电力。核电或许将成为解决电力需求的一大途径！
下载ECAD模型
