Une puce Wi-Fi durcie aux radiations résiste à une dose de 500 kGy pour les robots de démantèlement des centrales nucléaires
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La méthode de durcissement aux radiations consiste à simplifier l'agencement des transistors, à remplacer les composants sensibles aux radiations par des inductances passives et à augmenter les dimensions des transistors. Cette approche réduit l'accumulation de charges due aux rayonnements gamma, permettant ainsi à la puce de fonctionner dans des environnements à rayonnement extrême. Crédit : Institut des sciences de Tokyo
Lorsqu'une centrale nucléaire arrive en fin de vie ou est endommagée, elle doit être démantelée. Ce processus peut durer plus de 20 ans et comprend la décontamination, le démantèlement et la gestion des matières radioactives afin de permettre la réutilisation du site. Selon l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA), près de la moitié des 423 réacteurs nucléaires actuellement en service devraient être démantelés d'ici 2050.
Lors des opérations de nettoyage de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi , l'utilisation de robots dans les zones inaccessibles s'est considérablement développée. Ces robots ont permis d'améliorer l'efficacité tout en réduisant les risques pour les travailleurs. Cependant, la plupart des robots sont contrôlés par des connexions filaires, comme des câbles de réseau local, ce qui limite le nombre de robots pouvant être utilisés simultanément et engendre des difficultés opérationnelles telles que la gestion des câbles et la navigation dans des espaces confinés.
Des chercheurs de l'Institut des sciences de Tokyo (Science Tokyo), au Japon, ont développé une puce réceptrice sans fil (Wi-Fi) de 2,4 GHz capable de résister à des doses de rayonnement allant jusqu'à 500 kilograys (kGy), permettant ainsi le contrôle sans fil de robots dans les environnements à rayonnement ultra-élevé rencontrés lors du démantèlement nucléaire.
Cette étude a été menée par Yasuto Narukiyo, doctorant, et Atsushi Shirane, professeur associé à l'Institut de recherche innovante du Laboratoire de recherche interdisciplinaire future en sciences et technologies de Science Tokyo, en collaboration avec Masaya Miyahara, professeur associé à l'Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (KEK), au Japon. Les résultats seront présentés lors de la conférence internationale IEEE sur les circuits intégrés à semi-conducteurs (ISSCC) 2026 , qui se tiendra à San Francisco, aux États-Unis, du 15 au 19 février 2026.
« Cette tolérance répond aux exigences du démantèlement des centrales nucléaires, qui implique une exposition à un rayonnement gamma intense émis par les débris de combustible. L’introduction d’un tel système sans fil élimine le besoin de câblage complexe et permet un fonctionnement efficace et continu d’un grand nombre de robots », explique Atsushi Shirane.
La puce réceptrice comprend un amplificateur à faible bruit pour amplifier les signaux entrants faibles, suivi d'un amplificateur à gain variable pour ajuster la force du signal. Un amplificateur radiofréquence (RF) prépare le signal pour sa conversion directe en bande de base à l'aide d'un mélangeur, puis un amplificateur de transimpédance génère quatre canaux de sortie en bande de base pour le traitement numérique.
Lorsque des puces électroniques sont exposées à un rayonnement gamma intense, des charges se retrouvent piégées dans les couches isolantes des transistors, ce qui peut provoquer des fuites électriques, affaiblir les signaux et augmenter le bruit.
Pour rendre le récepteur plus résistant aux radiations, les chercheurs ont repensé la puce afin de réduire le nombre total de transistors. Moins de transistors signifie moins de zones où les radiations peuvent provoquer une accumulation de charges et des dommages. Dans l'amplificateur à gain variable, un transistor habituellement utilisé pour contrôler le gain a été remplacé par une inductance, un composant passif beaucoup moins sensible aux radiations.
Une modification similaire a été apportée à l'amplificateur RF, où un transistor MOS de type P, sensible aux radiations, a été remplacé par une inductance. L'équipe a également agrandi les transistors restants en augmentant leur longueur et leur largeur et en réduisant le nombre de segments parallèles, appelés « doigts ». Les dommages causés par les radiations créent souvent des chemins de fuite le long des bords des transistors, et les dispositifs de plus grande taille sont moins affectés par ces problèmes. Grâce à ces stratégies, les chercheurs ont réussi à limiter le piégeage de charges, à supprimer les courants de fuite indésirables et à maintenir la stabilité des performances des transistors sous forte exposition aux radiations.
Lors des tests, après une exposition cumulée à 500 kGy, le gain du signal de la puce n'a diminué que de 1,4 décibel, son facteur de bruit a augmenté au maximum de 1,26 décibel et sa consommation d'énergie a légèrement diminué d'environ 2 milliwatts. Globalement, ses performances de communication sont restées comparables à celles des récepteurs Wi-Fi commerciaux standard.
« La mise au point de puces Wi-Fi capables de fonctionner de manière stable même dans des environnements à très haute dose de rayonnement favorisera le fonctionnement à distance sans fil à l'aide de robots et de drones, permettant ainsi de réduire les risques d'exposition des travailleurs aux rayonnements et de faire progresser la sophistication du travail », déclare Shirane.
Cette puce étant capable de supporter des niveaux de radiation bien supérieurs à ceux auxquels les composants électroniques sont généralement exposés dans l'espace, elle pourrait également s'avérer utile pour les futures missions spatiales et dans d'autres environnements de radiation extrême.
https://techxplore.com/news/2026-03-radiationhardened-wifi-chip-survives-kgy.html
https://interestingengineering.com/innovation/japan-tepco-chip-nuclear-decommissioning-robot