原子炉にも耐えられる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 受信機を作成しました。彼らは、この受信機が鉱山労働者を廃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である可能性があると期待している。

東京理科大学大学院生の鳴京泰人氏は、2月にサンフランシスコで開催されたIEEE International Solid-State Circuits（ISSCC）会議で無線受信機を発表した。受信機は合計 500 キログレイの放射線量にさらされました。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。彼の顧問を務め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。

それほど劇的ではない状況であっても、原子力発電所は永遠に続くわけではなく、現場で再利用できるように解体して安全に洗浄する必要があり、これを廃炉と呼ぶプロセスです。このプロセスには時間がかかり、人々を放射線にさらす危険があるため、技術者らはロボットが救助に来てくれることを望んでいる。

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、閉鎖された204基の原子炉のうち、100メガワットを超える容量の11基だけが廃炉となり、今後20年間でさらに200基の原子炉が寿命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る必要があるが、原子炉内で動作するロボットは 6 か月で 500 キロガ以上、少なくとも 1,000 倍の放射線量に耐える必要があると鳴京氏は言います。 KUKA ロボット アームは、故障するまでに 164.55 Gy の損傷に耐えることしかできませんでした。比較すると、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 GHz Wi-Fi レシーバーを強い放射線レベルに対して「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減らし、残りのトランジスタの形状をいじりました。

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。ガンマ線のバーストは酸化物に正電荷を捕らえ、デバイスの性能を損ない、エラーを引き起こす可能性があります。したがって、使用する数を減らすと、問題が最小限に抑えられます。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ほど、放射線にさらされた場合のパフォーマンスが向上します。

研究者は、Wi-Fi 受信機を放射線源の上に置いてテストしました。鳴京泰人、加藤セナほか。

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、耐久性が高いと成清氏は言う。

Narokyo氏と彼のチームは、放射線にさらされる前と、総線量300kg、次に500kgで爆発させた後の受信機の性能を測定した。照射前は、一般的な Wi-Fi 受信機と同様に動作しました。最高の放射線量に達した後、受信機のゲインは約 1.5 デシベル低下しました。

ナルキオ氏は、レシーバーは十分に丈夫であり、今後はその性能を向上させたいと考えていると語った。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、彼が試した以前のバージョンは 300 kGay の線量で壊れたと言います。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を使用することを検討している。

この記事は、2026 年 6 月の印刷号に「Wi-Fi 受信機は原子炉内で生存できる」として掲載されます。