GaN 晶體管可在反應(yīng)堆中存活五年！核電或?qū)锳I 未來提供動力！

2024年6月25日，美國能源部核能辦公室網(wǎng)站報(bào)道， 橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）研究發(fā)現(xiàn)，氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體能夠承受核反應(yīng)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(yīng)堆中使用無線傳感器，包括目前正在開發(fā)的先進(jìn)小型模塊化和微反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。???

用GaN替代傳統(tǒng)硅基晶體管

大型復(fù)雜核反應(yīng)堆的安全性和效率需要時(shí)刻檢測，一般是通過控冷卻系統(tǒng)的微型傳感器，從核反應(yīng)堆中收集信息，在設(shè)備故障發(fā)生前識別潛在問題，從而避免經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)上做法，為保護(hù)電子器件，傳感器電路通常被置于遠(yuǎn)離堆芯的位置，以保護(hù)電子設(shè)備免受熱和輻射的影響，但這也導(dǎo)致了數(shù)據(jù)傳輸距離增加，影響信號質(zhì)量，從而影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與精度。

為了幫助縮短布線并提高傳感器的準(zhǔn)確性和精確度，ORNL研究團(tuán)隊(duì)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(dǎo)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(shí)遇到的電離輻射。

氮化鎵承受高溫，遠(yuǎn)超預(yù)期

ORNL研究人員將GaN晶體管放置在俄亥俄州立大學(xué)的一個(gè)研究反應(yīng)堆核心附近，這些晶體管成功地經(jīng)受了連續(xù)三天的高熱和輻射測試，在反應(yīng)堆功率達(dá)到90%的情況下記錄了7小時(shí)。經(jīng)過為期三天的嚴(yán)苛測試證明，GaN晶體管在125℃持續(xù)高溫下，承受了比標(biāo)準(zhǔn)硅器件高100倍的累積輻射劑量，遠(yuǎn)超預(yù)期。

“我們預(yù)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。“這項(xiàng)成果將顯著提升核反應(yīng)堆內(nèi)部構(gòu)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(yīng)堆中持續(xù)工作至少五年，這是電子設(shè)備需要與維護(hù)計(jì)劃保持一致的最短時(shí)間，從而避免了不必要的停機(jī)來更換失效組件。這對于正在研發(fā)的先進(jìn)微堆尤為重要，由于其設(shè)計(jì)緊湊，需要能承受更嚴(yán)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(biāo)是用這些材料設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中對其進(jìn)行補(bǔ)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(shè)備，例如筆記本電腦充電器、手機(jī)快充等。然而，GaN 的應(yīng)用范圍并不廣，因?yàn)镚aN 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(yīng)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(shí)產(chǎn)生的電離輻射。研究人員期望未來能在此基礎(chǔ)上利用GaN電路實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸。

同時(shí)，俄亥俄州立大學(xué)正在開發(fā)計(jì)算機(jī)模型，以預(yù)測不同電路設(shè)計(jì)在各種溫度和輻射條件下的性能。這項(xiàng)研究得到了美國能源部核能辦公室資金支持。為該項(xiàng)目做出貢獻(xiàn)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(yīng)堆也至關(guān)重要。除了常見的政府和軍事應(yīng)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?yàn)?GPU 每年都變得越來越耗電。

解決電力需求的一個(gè)解決方案可能是核電。根據(jù)美國能源信息署的數(shù)據(jù) ，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(yīng)堆，但一些大型科技公司已經(jīng)開始大力投資核聚變。美國能源部也正在考慮一個(gè)想法，即擁有為人工智能模型提供動力的大型數(shù)據(jù)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(jīng)在與科技公司就未來的電力需求進(jìn)行談判。事實(shí)上，微軟正在為其數(shù)據(jù)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(jī)購買電力。核電或許將成為解決電力需求的一大途徑！