Strahlungshärtung 101 Wie AKW-Reaktor Elektronik schützen - IEEE Spectrum
Anmerkung der Redaktion: Dies ist Teil des IEEE Spectrum laufenden Berichterstattung ofJapan Erdbeben und der nuklearen Notfall.
Versteckt hinter Abschirmung, die meisten der Elektronik in einem Arbeitskernreaktor nicht mehr Strahlung ausgesetzt als die Menschen, die sie bedienen. Probleme wie der Verlust von Kühlmitteln in beschädigten Fukushima-Reaktoren in Japan können das ändern, Strahlung auf ein Niveau steigern, die Kontrollsysteme und Roboter bedrohen kann, die zur Reparatur eingeschickt werden könnten.
Wie schützen Sie oder „verhärten“ Elektronik Strahlenschäden zu verhindern? Und die Elektronik an dem Fukushima Dai-1 Kernkraftwerk hart genug? IEEE Spectrum Associate Editor Rachel Courtland fragte Dan Fleetwood. ein Experte in strahlenresistente Geräten an der Vanderbilt University in Nashville, Tennessee, uns durch die Grundlagen zu nehmen.
Wie funktioniert Strahlung ein Problem für die Elektronik dar?
Strahlung kann Atome ionisieren, und eine Halbleiterkristallstruktur zerstören. Für Elektronik, die ganz in der Nähe eines Reaktors sind, werden Neutronen physische Schäden an den Halbleiterkristall erstellen. Aber die meisten Chips werden wegen der Leckage ersten fehlschlagen, die mit dem Laden von Isolatoren zugeordnet ist. In so etwas wie eine Metall-Oxid-Halbleitervorrichtung, beispielsweise Gamma- und Röntgenstrahlung werden Klopf Elektronen off-Atom in einem Isolator Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Die resultierenden positiven Ladungen gefangen werden, die Betriebseigenschaften verschieben. Geräte sind so konzipiert, ein und aus einem gut definierten Betriebspunkt drehen, und wenn die Betriebsspannung verschiebt, kann dies zu Schwierigkeiten führen.
Wie schützen Sie oder „verhärten“ Elektronik gegen Strahlung in einem Kernreaktor?
Es geht um alle Aspekte von Design, Verarbeitung und Prüfung. Bei einem Kraftwerk gibt es in der Regel Kriterien entwerfen die grundlegendsten Bedien- und Steuerelektronik relativ einfach und relativ robust zu halten, so dass Sie ein Ereignis wie ein Kühlmittelverlust haben können und Steuerung der Anlage aufrechtzuerhalten.
Wie gut kann Strahlungshärtung bekommen?
Die jährliche, Ganzkörpergrenze für Strahlung Arbeitnehmer wird in der Regel im Bereich von 20 bis 50 Millisievert oder 2-5 rads eingestellt. Die meisten kommerziellen Elektronik kann Strahlungswerte in Silizium von mindestens 500 bis 1000 rads überleben. Einige im Handel erhältliche Geräte können Ebene höher als die überleben, aber du bist einfach nie sicher, wenn es geht um Funktionalität zu verlieren, wenn detaillierte Tests im Voraus geschehen. Die strahlungsgehärtete Elektronik kann Niveau der Strahlung überleben, die Hunderttausende Male größer sind als das, was ein Mensch überleben kann, mehr als eine Million rads.
Je höher die Dosis, desto weniger wahrscheinlich werden Sie in der Lage sein, eine kommerzielle integrierte Schaltung zu finden, sie zu handhaben. Strahlungsfeste Elektronik ist in der Regel überall von zwei bis vier Generationen hinter kommerzieller Elektronik in Bezug auf ihre Leistung. Es braucht zusätzliche Zeit, um die zusätzliche Technik zu tun.
Kann eine Elektronik des Reaktors einen Zusammenbruch überleben?
Sicher in den 1960er Jahren [als die ersten Fukushima-Reaktoren gebaut wurden], waren die Menschen sehr bewusst über die Risiken durch Strahlung und es gab Möglichkeiten der Elektronik, die gemacht werden könnten, die den Widerstand gegen Strahlung durch eine Menge erhöhen würden.
Sehr einfache Regelkreise können außerordentlich hohe Strahlung zu widerstehen gemacht werden, aber sie sind sehr einfach in der Funktion. Sie sind nicht die Art von Elektronik, die Sie nutzen, um die gesamte Anlage laufen. Sie würden nur die Fähigkeit, in der Lage, an einem gewissen Punkt zu halten, verwendet werden Kühlsysteme zu aktivieren oder zu kritischen Funktionen Schalten und Steuerung durchführen.
Ist es möglich, dass die Elektronik in den beschädigten Fukushima-Reaktoren verwendet werden, um das Kühlsystem wieder zu booten?
Das ist eine Frage, wie schlimm der Schaden ist. Meine Vermutung ist, die Elektronik ist wahrscheinlich nicht das schwächste Glied gibt. Die mechanischen Systeme könnten das schwache Glied sein, nur wegen der körperlichen Schäden, die als Folge der Explosionen stattgefunden zu haben scheint, die gemeldet wurden. Es ist auch möglich, dass es könnte einige Fehler in der Elektronik, die mit der Zeit erholen könnte. Nicht alle Auswirkungen der Strahlenexposition sind fest angestellt.