原子炉をサポートできるWi-Fi

研究者らは、原子炉内で動作するのに十分な強度を備えた Wi-Fi 受信機を開発しました。彼らは、この受信機が原子炉を停止するために使用されるロボット工学用の無線通信システムの一部になることを期待している。

東京理科大学大学院生の成清泰人氏は、2月にサンフランシスコで開催されたIEEE国際会議固体回路会議（ISSCC）で無線受信機を発表した。受信機は総放射線量 500 キログラムに耐えましたが、これは宇宙空間の電子機器が通常許容する線量よりも桁違いに高かったです。

2011 年の福島第一原子力発電所での原子力災害の後、エンジニアは現場の特性評価と清掃を支援するためにロボットを使い始めました。これらのほとんどにはローカル エリア ネットワーク (LAN) ケーブルが必要ですが、絡まる可能性があると成清氏は言います。彼の顧問である高エネルギー加速器研究機構(KEK)の白根篤史氏と宮原正也氏を含む同氏のチームは、この過酷な環境でロボットを制御する無線システムの開発を目指している。

それほど劇的な状況ではないとしても、原子力発電所は永遠に続くわけではなく、サイトを再利用できるように安全に廃炉にして除染する必要があります。これは廃炉と呼ばれるプロセスです。このプロセスには時間がかかり、人々が放射線にさらされる危険があるため、技術者らはロボットが救助に来てくれることを期待している。

このようなロボットの必要性は高まるばかりです。 2024年の調査によると、停止された204基の原子炉のうち、完全に廃炉になったのは容量が100メガワットを超える11基のみで、さらに200基の原子炉が今後20年間で耐用年数を迎えることになる。

宇宙探査用の電子機器は通常、3 年間で 100 ～ 300 グレイの放射線量に耐えますが、原子炉内で動作するロボットは 6 か月で 500 kGy 以上の放射線量に耐える必要があり、これは少なくとも 1,000 倍の線量に耐える必要があると成清氏は言います。 KUKA が製造したロボット アームは、故障するまでに 164.55 Gy の損傷にしか耐えられませんでした。比較として、脳のCTスキャン中に目の水晶体が吸収する光はわずか60ミリグレイです。

2.4 ギガヘルツ Wi-Fi 受信機を強力なレベルの放射線に対して「強化」するために、成清氏と彼のチームはコンポーネントの組み合わせを変更し、トランジスタの総数を最小限に抑え、残りのトランジスタの形状を微調整しました。

トランジスタであるシリコン MOSFET (金属酸化物半導体電界効果トランジスタ) には、放射線による損傷に対して特に脆弱な酸化物層が含まれています。ガンマ線バーストは酸化物に正電荷をトラップし、デバイスの性能を低下させ、エラーを引き起こす可能性があります。したがって、それらの使用を減らすことで問題を最小限に抑えることができます。研究者らはまた、各トランジスタのゲートをより長く、より広くしました。ゲートは電流の流れを制御します。ゲートが長くて幅が広いと、放射線被ばく下でより優れたパフォーマンスを発揮します。

研究者らは、Wi-Fi 受信機を放射線源の上に置いてテストしました。成清康人、加藤セナ 他

同グループはまた、PMOSトランジスタ、電流が主に正電荷によって運ばれるMOSFET、および電流が電子によって運ばれるNMOSに放射線がどのような影響を与えるかの違いについても検討した。 PMOS トランジスタは、酸化物と酸化物と残りの半導体の界面の両方に正電荷がトラップされるため、放射線による損傷に対してより脆弱です。これらが積み重なり、トランジスタが「オフ」状態に切り替わると成清氏は言う。これを補うために、新しい受信機設計では PMOS の使用を最小限に抑え、これらのトランジスタを酸化物層を持たないインダクタなどの他の素子に置き換えています。 NMOSトランジスタは、酸化物にトラップされた正電荷が界面にトラップされた負電荷によってある程度打ち消されるため、耐性がより高いと成清氏は言う。

成清氏と彼のチームは、放射線にさらされる前と、総線量300 kGyで照射した後、および500 kGy後に受信機の性能を測定した。照射前は、一般的な Wi-Fi 受信機と同等のパフォーマンスを示しました。最高放射線量に達した後、受信機ゲインは約 1.5 デシベル減少しました。

成清さんは「レシーバーがかなり固まってきた」と話し、今後はもっとパフォーマンスを上げていきたいとしている。彼はまた、双方向通信を可能にする送信機の開発にも取り組んでいます。 Wi-Fi 信号を生成するには高レベルの電流を生成する必要があるため、これはさらに困難です。彼は、彼が試した初期のバージョンは 300 kGy の線量で壊れたと言いました。同グループは、送信機を強化するためにダイヤモンドなどの他の半導体の使用を検討している。