Một nhóm nghiên cứu khoa học Nhật Bản gần đây đã phát triển bộ thu Wi-Fi có thể hoạt động ổn định trong môi trường bức xạ khắc nghiệt bên trong lò phản ứng hạt nhân, cung cấp hỗ trợ công nghệ truyền thông quan trọng cho việc sử dụng robot trong tương lai để ngừng hoạt động một cách an toàn các nhà máy điện hạt nhân cũ. Máy thu này do nhóm Khoa học Đại học Tokyo phát triển cho thấy khả năng chống bức xạ vượt xa khả năng chống bức xạ của các linh kiện điện tử thông thường trong các thử nghiệm chiếu xạ. Nó có thể chịu được liều bức xạ gấp khoảng 1.000 lần so với các thiết bị điện tử thông thường.

Nghiên cứu liên quan đã được trình bày tại Hội nghị Mạch thể rắn Quốc tế IEEE (ISSCC) ở San Francisco vào đầu năm nay và dữ liệu cho thấy bộ thu Wi‑Fi có thể chịu được tới 500. Nó vẫn có thể hoạt động bình thường sau khi tiếp xúc với kGy của bức xạ. Mức dung sai này thậm chí còn vượt quá các thông số kỹ thuật thiết kế của các linh kiện điện tử cấp hàng không vũ trụ nói chung. Trưởng dự án Yasuto Narukiyo, một sinh viên tốt nghiệp tại Đại học Khoa học Tokyo, cho biết một robot thực hiện nhiệm vụ bên trong lò phản ứng hạt nhân có thể tiếp xúc với bức xạ tích lũy hơn 500 kGy trong vòng sáu tháng. Để so sánh, thiết bị điện tử hàng không vũ trụ thường chỉ cần chịu được liều lượng khoảng 100 đến 300 Gray trong vòng ba năm.

Một nhóm gồm có Yasuto Narukiyo và Viện nghiên cứu máy gia tốc năng lượng cao Nhật Bản nhằm mục đích tạo ra một hệ thống điều khiển robot hoàn toàn không dây phù hợp cho công việc ngừng hoạt động nhà máy điện hạt nhân. Hiện tại, robot được triển khai tại các địa điểm như Nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi chủ yếu dựa vào cáp có dây LAN để liên lạc. Những sợi cáp này không chỉ dễ vướng víu, hạn chế phạm vi hoạt động của robot mà còn ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống.

Ở cấp độ kỹ thuật, môi trường có bức xạ cao cực kỳ có hại cho các thiết bị điện tử truyền thống. Khi tia gamma bắn phá các thành phần làm từ silicon, chúng giữ các điện tích dương trong lớp oxit xung quanh bóng bán dẫn, khiến hiệu suất mạch bị lệch hoặc thậm chí bị hỏng. Để giải quyết vấn đề này, nhóm Tokyo đã thiết kế lại bộ thu Wi-Fi cho băng tần 2,4GHz, bao gồm giảm số lượng bóng bán dẫn, điều chỉnh hình dạng bóng bán dẫn và thay thế các bóng bán dẫn PMOS dễ bị tổn thương hơn bằng bóng bán dẫn NMOS và cuộn cảm có khả năng chống bức xạ tốt hơn.

Yasuto Narukiyo đã chỉ ra rằng các bóng bán dẫn PMOS dễ bị hư hỏng hơn dưới tác động của bức xạ vì các điện tích dương sẽ tích tụ cả bên trong lớp oxit và tại bề mặt phân cách giữa lớp oxit và chất bán dẫn, ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính của thiết bị. Do đó, thiết kế mới giảm thiểu tỷ lệ thiết bị PMOS được sử dụng để cải thiện độ ổn định kháng bức xạ tổng thể. Sau khi tiếp xúc với bức xạ lên tới 500 kGy, mức tăng của máy thu chỉ giảm khoảng 1,5 dB, cho thấy hiệu suất bị suy giảm đôi chút và hoạt động ở mức tương tự như các máy thu Wi‑Fi thương mại thông thường trước và sau khi thử nghiệm.

Với độ bền này, máy thu mới dự kiến ​​sẽ đóng một vai trò quan trọng bên trong các lò phản ứng hạt nhân, cung cấp liên kết liên lạc không dây đáng tin cậy cho các robot chịu trách nhiệm kiểm tra, dọn dẹp và phá dỡ. Quá trình tháo dỡ các nhà máy điện hạt nhân trên khắp thế giới hiện đang được đẩy nhanh: trong số 204 lò phản ứng đã ngừng hoạt động, chỉ có 11 tổ máy lớn thực sự hoàn thành việc tháo dỡ hoàn toàn và khoảng 200 tổ máy nữa dự kiến ​​sẽ ngừng hoạt động trong 20 năm tới. Trong bối cảnh này, cách cho phép robot kết nối Internet ổn định trong môi trường có bức xạ cao và rủi ro cao được coi là một phần quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả và độ an toàn khi ngừng hoạt động.

Sau khi đạt được bước đột phá ở đầu thu, mục tiêu tiếp theo của nhóm Yasuto Narukiyo là phát triển chip đầu phát cũng có khả năng chống bức xạ cao để đạt được khả năng giao tiếp không dây hai chiều thực sự. Nhiệm vụ này khó khăn hơn vì bộ phát cần tạo ra dòng điện cao hơn để phát tín hiệu Wi‑Fi. Nguyên mẫu máy phát trước đó bị hỏng ở mức 300 kGy. Để đạt được mục tiêu này, nhóm nghiên cứu đang khám phá các vật liệu bán dẫn mới bao gồm cả kim cương, hy vọng sẽ cải thiện hơn nữa giới hạn chịu bức xạ của thiết bị ở cấp độ vật liệu để bộ phát có thể phù hợp với bộ thu hiện tại.

Nhóm nghiên cứu tuyên bố rằng nếu chip không dây chống bức xạ ở cả đầu phát và đầu nhận có thể đạt được các mục tiêu đã đặt ra thì robot bên trong các nhà máy điện hạt nhân trong tương lai dự kiến ​​sẽ thoát khỏi những hạn chế của dây cáp và đạt được khả năng thực hiện nhiệm vụ ở khoảng cách xa hơn và linh hoạt hơn trong không gian phức tạp. Điều này không chỉ giúp giải quyết vấn đề ngừng hoạt động lâu dài sau các sự cố nghiêm trọng như Fukushima mà còn cung cấp các giải pháp kỹ thuật an toàn và hiệu quả hơn cho số lượng lớn các tổ máy điện hạt nhân sắp bước vào giai đoạn ngừng hoạt động trên toàn thế giới.