2024年6月25日，美國能源部核能辦公室網站報道， 橡樹嶺國家實驗室（ORNL）研究發(fā)現(xiàn)，氮化鎵（GaN）半導體能夠承受核反應堆堆芯附近的高溫高輻射。這一發(fā)現(xiàn)可能促成在核反應堆中使用無線傳感器，包括目前正在開發(fā)的先進小型模塊化和微反應堆設計。???

用GaN替代傳統(tǒng)硅基晶體管

大型復雜核反應堆的安全性和效率需要時刻檢測，一般是通過控冷卻系統(tǒng)的微型傳感器，從核反應堆中收集信息，在設備故障發(fā)生前識別潛在問題，從而避免經濟損失。傳統(tǒng)上做法，為保護電子器件，傳感器電路通常被置于遠離堆芯的位置，以保護電子設備免受熱和輻射的影響，但這也導致了數據傳輸距離增加，影響信號質量，從而影響數據準確性與精度。

為了幫助縮短布線并提高傳感器的準確性和精確度，ORNL研究團隊探索了使用GaN替代傳統(tǒng)硅基晶體管。GaN是一種寬帶隙半導體，在高的頻率、高溫和高輻照率下工作，比硅基器件更具備優(yōu)勢，以前曾被測試過能抵抗火箭在太空中飛馳時遇到的電離輻射。

氮化鎵承受高溫，遠超預期

ORNL研究人員將GaN晶體管放置在俄亥俄州立大學的一個研究反應堆核心附近，這些晶體管成功地經受了連續(xù)三天的高熱和輻射測試，在反應堆功率達到90%的情況下記錄了7小時。經過為期三天的嚴苛測試證明，GaN晶體管在125℃持續(xù)高溫下，承受了比標準硅器件高100倍的累積輻射劑量，遠超預期。

“我們預測在第三天輻射會將晶體管損壞，但它們幸存了下來，”首席研究員、ORNL傳感器和電子小組成員Kyle Reed說道?！斑@項成果將顯著提升核反應堆內部構件測量的可靠性和精確度?！?/p>

研究表明，GaN晶體管有望在反應堆中持續(xù)工作至少五年，這是電子設備需要與維護計劃保持一致的最短時間，從而避免了不必要的停機來更換失效組件。這對于正在研發(fā)的先進微堆尤為重要，由于其設計緊湊，需要能承受更嚴酷輻射環(huán)境的傳感器電路。但比起輻射，GaN芯片更容易受到熱損傷。“由于最終目標是用這些材料設計電路，一旦我們了解了溫度和輻射的影響，我們就可以在電路設計中對其進行補償，”Reed說。

下一步布局：核電為AI 未來提供動力！

近十年來，GaN 一直被廣泛使用，通常用于緊湊型高功率設備，例如筆記本電腦充電器、手機快充等。然而，GaN 的應用范圍并不廣，因為GaN 比硅更昂貴且更難加工。

盡管如此，GaN 的特性使其成為此類小眾應用的理想選擇。另外，GaN 芯片已用于太空飛行，它們可以承受火箭離開地球大氣層時產生的電離輻射。研究人員期望未來能在此基礎上利用GaN電路實現(xiàn)傳感器數據的無線傳輸。

同時，俄亥俄州立大學正在開發(fā)計算機模型，以預測不同電路設計在各種溫度和輻射條件下的性能。這項研究得到了美國能源部核能辦公室資金支持。為該項目做出貢獻的 ORNL 研究人員和工作人員包括 Kyle Reed、Dianne Ezell、Nance Erickson、Brett Witherspoon、Craig Gray、Emma Brown、Kevin Deng、Adam Buchalter 和 Caleb Damron。

另外，除了提高傳感器精度和記錄能力外，GaN 芯片對于開發(fā)小型模塊化反應堆也至關重要。除了常見的政府和軍事應用外，開發(fā)這些便攜式核電站還可以為我們的 AI 未來提供動力，因為 GPU 每年都變得越來越耗電。

解決電力需求的一個解決方案可能是核電。根據美國能源信息署的數據 ，到 2023 年，美國約有 18.6% 的電力來自核能。盡管目前還沒有商業(yè)上可行的核聚變反應堆，但一些大型科技公司已經開始大力投資核聚變。美國能源部也正在考慮一個想法，即擁有為人工智能模型提供動力的大型數據中心的科技公司可能會在附近建立“小型核電站”。

美國政府也已經在與科技公司就未來的電力需求進行談判。事實上，微軟正在為其數據中心建造一些這樣的核電站，目前已從 Helion Energy 的核聚變發(fā)電機購買電力。核電或許將成為解決電力需求的一大途徑！