?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Думаю, мало кто в курсе, что вся возобновляемая энергетика сегодня зависит от работы исследовательских ядерных реакторов. Речь идет о получаемом в нем ядерно-легированном кремнии (ЯЛК), который используется для производства высоковольтных силовых полупроводников, без которых ВИЭ невозможны. А теперь подробнее.



12-пульсные выпрямители (висят слева) ультравысоковольтных линий электропередачи тоже являются важными потребителями ядерного-легированного кремния

Если мы взглянем на электрическую схему любой солнечной или ветровой электростанции, то обязательно увидим там инверторное оборудование — электрические машины, преобразующие один постоянный ток в другой и в сетевой переменный. Они нужны для динамической организации потоков электроэнергии внутри СЭС или ветряка и стыковки с глобальной электросетью в правильном режиме.


Такие невзрачные ящики превращают мегаватты постоянного тока напряжением в несколько сотен вольт в 50 герц 10-35 киловольтного.


А внутри них трудятся вот такие ключевые сборки - это например однофазный H-мост мощностью 6 мегаватт, в нем стоит 8 IGCT тиристоров, о которых ниже.

Инверторы в свою очередь представляют собой наборы пассивных фильтров, рабочих индуктивностей и трансформаторов и главное — мощных электрических ключей. В энергетических инверторах сегодня трудятся два типа полупроводниковых ключей - IGBT транзисторы и IGСT тиристоры (кстати буквы I в этих приборах означают совсем разное :))


IGCT тиристор (таблетка слева) и управляющая им схема (справа). Тиристор изготавливается из круглой кремниевой пластинки


И вскрытый IGBT модуль чуть меньшей мощности. Здесь нет необходимости в сильноточном управлении затвором, а сам ключ набран из множества мелких кристаллов

Относительно небольшие полупроводниковые ключи сегодня имеют максимальные рабочие напряжения до 7000 вольт при рабочем токе до 5000 А, т.е. устройство размером с чайное блюдце способно коммутировать 35 мегаватт. Наряду с высочайшим кпд в районе 99% и относительно высокой частотой коммутации такие ключи во многом определили мир современной силовой электроники. Сегодня кроме возобновляемой энергетики и линий электропередач постоянного тока ультравысокого напряжения, основным потребителем такой продукции являются силовые приводы (электродвигатели) с высоким кпд и гибкой работой — например приводы электровозов, электромобилей Тесла или мощных станков.


Тиристор в корпусе (т.н. пресс-паке) и собственно полупроводниковая пластина, которая коммутирует ток.

Так вот, все полупроводниковые ключи с рабочими напряжениями выше 1600 вольт изготавливаются из кремния, который был облучен в ядерном реакторе — ядерно-легированном кремнии. В настоящее время порядка 150 тонн такого кремния в год получают в двух десятках облучательных установках, обычно на базе исследовательских реакторов. Производители разбросаны по всему миру, а объем этого рынка — примерно 150 миллионов долларов в год, и это один из самых больших мировых рынков изотопной продукции. В т.ч. несколько российских исследовательских реакторов (Томский политех, НИФХИ, Маяк, НИИАР) обеспечивают порядка 10% мировых поставок. Обычно организации, владеющие реакторами работают в связке с поставщиками кремния, которые подготавливают исходный материал, и обеспечивают разделку слитков на пластины и сбыт.


Слиток после облучения и отжига.

Ядерно-легированный кремний (или Neutron transmutation doped silicon) представляет собой ультра-чистый кремний, в котором нейтронным излучением реактора часть атомов изотопа 30Si трансмутировалась в атомы фосфора 31P, создав допированную проводимость n-типа. Традиционно такое допирование создается путем подмешивания очень небольшого количества фосфора в расплав кремния, но проблема в том, что при этом локальная концетрация допанта может отличатся на десятки процентов от среднего значения. В высоковольтных ключах такой разброс приводит к появлению «горячих пятен», где начинает течь гораздо больше тока, чем в среднем и транзистор или тиристор пробивает. Легирование путем нейтронного облучения позволяет путем некоторых ухищрений добиться равномерности лучше 5% отклонения от среднего значения - иногда и лучше 3%.


А это облучательные устройства датской фирмы Topsil, которая первой занялась коммерческим производством ЯЛК в конце 70-х

Для этого слиток чистого монокристаллического кремния помещают в ядерный реактор, по возможности заэкранировав от гамма-излучения и быстрых нейтронов, которые портят структуру кристалла.  Для стандартного значения нейтронного потока в исследовательских реакторах (от 1012 до 1014 нейтрон на см2 в секунду) требуется от пары часов до суток облучения что бы получить заданную проводимость кристалла кремния. При этом допирование происходит по реакции 30Si + n ->31Si ->31P (период полураспада 2.6 часа), и полученный кремний необходимо выдержать пару суток, что бы его радиоактивность упала до безопасных уровней.


Связь между нейтронной дозой, проводимостью и получающимся содержанием допанта в ЯЛК

Во время облучения слиток вращают и перемещают вверх-вниз для равномерной засветки нейтронами. Кроме того на некоторых мощных реакторах применяется профилирующий поглотитель из кадмия или бора, который дополнительно выравнивает осевую неравномерность потока нейтронов.

Впрочем, сегодня существуют неядерные методы допирования кремния, которые позволяют получить почти ядерное качество, и они вытесняют ЯЛК из области 600-1600 вольт, где раньше так же применялся только ядерный кремний. Однако напряжения выше все равно не подвластны химическим методам, а в рамках общего тренда повышения удельной мощности напряжения силовой электроники постоянно ползут вверх, так что место для ЯЛК кремния есть.


Разные технологии получения допированных кремниевых пластин (CZ, CZ-EPI, FZ-PFZ и ядерный FZ-NTD) ориентированы на разные ниши, в т.ч. по напряжению, картинка от ведущего производителя кремния Topsil

Более того, аналитики прогнозируют рост потребления ЯЛК, связанным с ростом количества электромобилей с высоковольтной батареей (при напряжении батареи 800 вольт уже используются ключи с рабочим напряжением 1600 и выше вольт, на базе ЯЛ кремния). Некоторые оценки говорят о росте рынка с 150 до 500 тонн и выше в следующем десятилетии. Поэтому во многие вновь строящиеся реакторы еще на этапе проектирования закладывают каналы для получения ядерно-легированного кремния, надеясь таким образом снизить стоимость реактора для налогоплательщиков. Например такие каналы будут в МБИР и JHR.



Впрочем пока инвертор Tesla Model S управляющий 300-киловаттным двигателем имеет в своем составе 84 IGBT транзистора с рабочим напряжением 600 вольт, скорее всего не имеющих отношения к ядерно-легированному кремнию. Однако это далеко не самое передовое решение на сегодня.

Так что «зеленое электрическое будущее» человечества неразрывно связано с ядерными технологиями, ядерными реакторами и прочими ужасно неэкологичным наследием 20-го века.

Comments

( 139 comments — Leave a comment )
Page 1 of 2
<<[1] [2] >>
alex_bykov
Jan. 7th, 2016 09:11 pm (UTC)
Спасибо
Не знал.
2born
Jan. 7th, 2016 09:26 pm (UTC)
Очень интересно, большое спасибо! Можно утащить к себе?
tnenergy
Jan. 7th, 2016 09:37 pm (UTC)
Разумеется.
(no subject) - tnenergy - Jan. 7th, 2016 09:41 pm (UTC) - Expand
(no subject) - 2born - Jan. 7th, 2016 09:49 pm (UTC) - Expand
(no subject) - alaey - Jan. 10th, 2016 05:22 am (UTC) - Expand
faleevv
Jan. 7th, 2016 09:48 pm (UTC)
Спасибо...
Даже не знал об этом. "О, сколько нам открытий чудных ..."
gray_bird
Jan. 7th, 2016 10:15 pm (UTC)
Интересно, на сравнительно низковольтных(400В и ниже) устройствах ЯЛК имеет преимущество перед химическими технологиями и его не используют только из-за высокой стоимости?
Тогда при росте объемов производства, и низковольтные сборки станут дешевле-лучше, что не может не радовать!
tnenergy
Jan. 7th, 2016 10:31 pm (UTC)
Низковольтные сильноточные девайсы по идее тоже должны быть лучше с таким кремнием. Остальные скорее всего потерпят и так: а ядерное легирование разумеется добавляет стоимости, хотя при стоимости 1000 баксов/кг в конечном устройстве это будут копейки.
vkorehovisback
Jan. 7th, 2016 10:25 pm (UTC)
kakim obrazom na IGBT mozhno poluchitj sinusoidu? oni zhe kak kluchi rabotajut?
b_my
Jan. 7th, 2016 10:30 pm (UTC)
Простой ШИМ. И на индуктивности трансформатора оно интегрируется.
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 8th, 2016 12:41 am (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 8th, 2016 12:44 am (UTC) - Expand
(no subject) - olegart - Jan. 8th, 2016 08:32 am (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 8th, 2016 09:19 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jan. 8th, 2016 09:25 am (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 8th, 2016 09:32 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jan. 8th, 2016 10:01 am (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 8th, 2016 10:08 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jan. 8th, 2016 10:15 am (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 8th, 2016 10:45 am (UTC) - Expand
(no subject) - Ivan Dubrov - Jan. 8th, 2016 04:52 pm (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 9th, 2016 02:49 am (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 9th, 2016 02:53 am (UTC) - Expand
(no subject) - Ivan Dubrov - Jan. 10th, 2016 02:06 am (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 10th, 2016 08:28 pm (UTC) - Expand
(no subject) - br0x - Jan. 7th, 2016 10:31 pm (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 8th, 2016 02:05 am (UTC) - Expand
(no subject) - olegart - Jan. 8th, 2016 08:34 am (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 8th, 2016 09:26 am (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 8th, 2016 09:27 am (UTC) - Expand
ext_3286940
Jan. 7th, 2016 10:38 pm (UTC)
очень познавательно , а как радиационная безопасность подобных устройств ?
tnenergy
Jan. 7th, 2016 10:46 pm (UTC)
Если облучать правильно правильный (высокочистый) кремний - то 2-3 суток его активность падает до почти фонового уровня. К моменту, когда он дойдет до потребителя, думаю, никакие неразрушающие методы уже не позволят определить, как был произведен этот материал.
lozhkamyoda_73
Jan. 7th, 2016 10:44 pm (UTC)
Я чего-то не понял. Если образуется Фосфор-30,а потом он распадается "за пару суток",то в чем прикол?
tnenergy
Jan. 7th, 2016 10:47 pm (UTC)
Кремний 30 трансмутируется в Кремний 31, тот бета-распадается (с периодом 2,6 часа) в Фосфор 30 (стабильный).
(no subject) - lozhkamyoda_73 - Jan. 7th, 2016 10:53 pm (UTC) - Expand
(no subject) - savechenkov - Jan. 8th, 2016 12:22 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jan. 8th, 2016 08:10 am (UTC) - Expand
doctor_notes
Jan. 7th, 2016 10:49 pm (UTC)
Ух ты, интересно.
Спасибо!

Edited at 2016-01-07 10:49 pm (UTC)
rrr2
Jan. 7th, 2016 11:06 pm (UTC)
Спасибо, узнал много нового!

С точки зрения карбон-футпринта, ядерные реакторы пушистые и экологичные :-)
ardelfi
Jan. 8th, 2016 12:29 am (UTC)
> превращают мегаватты постоянного тока напряжением в несколько сотен вольт в 50 герц 10-35 киловольтного

Вот это беда. Эти 50Гц стали не просто чемоданом без ручки, а чемоданом с кирпичами и ручкой из проволоки. Современная оптимальная сеть уже появилась в пределах датацентров (мегаваттные нагрузки) -- это порядка 400В постоянного тока. А современная оптимальная передача, как у вас отмечено -- это HVDC или UHVDC.
tnenergy
Jan. 8th, 2016 08:09 am (UTC)
У 50 герц есть пара важных преимуществ работающих до сих пор - переходы тока через ноль облегчают жизнь сильноточных выключателей, а сихнронные вращающиеся массы работают хорошим пассивным стабилизатором системы. Ну и в конце концов тупо дешевле поставить трансформатор, чем трансформатор и парочку систем с ключами. UHVDC не от хорошей жизни все точка-точка между AC системами.
(no subject) - ardelfi - Jan. 8th, 2016 08:47 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jan. 8th, 2016 09:05 am (UTC) - Expand
(no subject) - nekto_aip - Jan. 8th, 2016 09:30 am (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Jan. 8th, 2016 09:45 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jan. 8th, 2016 09:55 am (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Jan. 8th, 2016 10:38 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jan. 8th, 2016 11:16 am (UTC) - Expand
(no subject) - ardelfi - Jan. 8th, 2016 11:53 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jan. 8th, 2016 12:14 pm (UTC) - Expand
(no subject) - olegart - Jan. 9th, 2016 10:05 am (UTC) - Expand
(no subject) - olegart - Jan. 9th, 2016 09:59 am (UTC) - Expand
(no subject) - olegart - Jan. 9th, 2016 09:56 am (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 8th, 2016 09:39 am (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jan. 8th, 2016 11:17 am (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 8th, 2016 02:39 pm (UTC) - Expand
(no subject) - tnenergy - Jan. 8th, 2016 03:18 pm (UTC) - Expand
(no subject) - vkorehovisback - Jan. 9th, 2016 03:34 am (UTC) - Expand
(no subject) - Alexander Luzhbinin - Jan. 8th, 2016 02:22 pm (UTC) - Expand
6 киловольт постоянк - zel_dol - Jan. 8th, 2016 05:07 pm (UTC) - Expand
Re: 6 киловольт постоянк - tnenergy - Jan. 9th, 2016 11:28 am (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Jan. 13th, 2016 01:55 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Alexander Luzhbinin - Jan. 14th, 2016 09:23 pm (UTC) - Expand
(no subject) - permea_kra - Jul. 13th, 2016 08:36 am (UTC) - Expand
(no subject) - Alexander Luzhbinin - Jul. 18th, 2016 09:23 pm (UTC) - Expand
simsun
Jan. 8th, 2016 02:47 am (UTC)
Интересно!
Аж трясёт!!!
А от картинки 10kV тиристора с управлялкой - так вообще!....
Сразу подумал, что будет когда эти электролиты там попухнут....ой не с проста их там столько с запасом :)
olegart
Jan. 8th, 2016 08:36 am (UTC)
RE: Интересно!
Их там столько, потому что надо в разумных габаритах по высоте набрать нужную ёмкость на нужное напряжение.
Re: Интересно! - tnenergy - Jan. 8th, 2016 08:57 am (UTC) - Expand
Re: Интересно! - simsun - Jan. 8th, 2016 11:20 am (UTC) - Expand
rbs_vader
Jan. 8th, 2016 03:29 am (UTC)
Я очень впечатлился габаритами "диодика". А управление-то тем тиристором, похоже, по оптике идёт.
tnenergy
Jan. 8th, 2016 08:03 am (UTC)
По оптике управляются PCT тиристоры в UHVDC преобразователях. У них фоточуствительный затвор, так что ничего кроме световода для открытия им не надо.

Edited at 2016-01-08 08:03 am (UTC)
(no subject) - simsun - Jan. 8th, 2016 11:23 am (UTC) - Expand
(no subject) - rbs_vader - Jan. 8th, 2016 10:48 pm (UTC) - Expand
greygreengo
Jan. 8th, 2016 03:53 am (UTC)
Интересно, а если пространственно модулированную структуру изотопического состава заданного вида получать - процессоры на таких камнях можно до ТГц частот поднять?
tnenergy
Jan. 8th, 2016 08:05 am (UTC)
Нет, частота процессоров упирается в подвижность носителей заряда в полупроводнике. Грубо говоря, перестают работать эффекты pn-перехода. На арсениде галлия можно было бы еще в 4 раза поднять частоту, но он нетехнологичный и дорогой.
pz_true
Jan. 8th, 2016 04:06 am (UTC)

интересно то как. даже не предпологал.

limachko
Jan. 8th, 2016 05:05 am (UTC)
Бедные "зелёные"
Page 1 of 2
<<[1] [2] >>
( 139 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

November 2017
S M T W T F S
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
2627282930  
Powered by LiveJournal.com