Вход на сайт

МЕДИАМЕТРИКА

Облако тегов

tnenergy:Зеленая энергетика и ядерный кремний

Аватар пользователя Ctavr

  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.

http://tnenergy.livejournal.com/37284.html 

 

Фонд поддержки авторов AfterShock

Комментарии

Аватар пользователя Туманный
Туманный(5 лет 7 месяцев)(11:51:10 / 15-06-2016)

Чето меня электролиты в схеме управления тиристором пугают. Пять лет и вздуются они. И будет большой бах.

Аватар пользователя Rashad_rus
Rashad_rus(5 лет 7 месяцев)(11:55:44 / 15-06-2016)

А может это не электролиты? Вы их номиналы видите? Я тоже не вижу... но внешне - похожи.

Аватар пользователя vGimly
vGimly(2 года 7 месяцев)(13:19:59 / 15-06-2016)

Электролит в схеме = Запрограммированное устаревание :)

Некоторые конденсаторы в схемах позволяют многим людям безбедно жить и сейчас..

Или вот СВЧ транзистор (советский - в золотом корпусе и двумя выводами базы) стоящий в схеме управления питанием термостата узла МШУ БРЛС самолётов типа Су-27 и Миг-29. Мало того, что разработчик узла наверняка получил премию за унификацию используемой элементной базы, именно это спорное решение позволило выжить в 90е годы производителю этих узелков (в отличие от его конкурента, выпускавшего высоконадёжные микросборки), но и дало хлебушка с маслицем некоторым сервисным организациям :)

Аватар пользователя ₱атник
₱атник(3 года 3 месяца)(13:42:40 / 15-06-2016)

Большая сборка электролитов говорит о параллельном включении, соответственно токи для управления мощным тиристором, на мой взгляд это надежней и дешевле чем пара тройка увесистых забугорных кондеров. 

Аватар пользователя ₱атник
₱атник(3 года 3 месяца)(13:49:44 / 15-06-2016)

Хотя здесь многообразие кристаллов потянуло за собой кондеры. Смущает отсутствие радиаторов охлаждения.

Аватар пользователя Fdrme
Fdrme(1 год 3 месяца)(12:12:26 / 15-06-2016)

Может тупо высохнут, потому и большой запас на плате

Аватар пользователя Шляхта
Шляхта(2 года 6 месяцев)(13:15:51 / 15-06-2016)

Если расчёт схемы верен, чего им вздуваться? Ну и серия добротной должна быть.

Автору темы - моё почтение

Аватар пользователя Подольский

Использовать на номинальных параметрах по температуре и току и ничего не вздуется и не высохнет.

Аватар пользователя Alex_7399
Alex_7399(1 год 8 месяцев)(21:54:08 / 15-06-2016)

А если зашунтировать танталовыми кондерами?

Аватар пользователя kokunov
kokunov(5 лет 6 месяцев)(11:53:02 / 15-06-2016)

Интересно, прасибо!

Аватар пользователя Omni
Omni(5 лет 3 недели)(12:25:27 / 15-06-2016)

Спасибо.

Аватар пользователя Alex_tec
Alex_tec(3 года 5 месяцев)(12:35:20 / 15-06-2016)

Очень познавательно, спасибо. Кстати в преобразователях частоты (инверторах) электролиты в звене постоянного тока служат достаточно долго, больше 5 лет.

Аватар пользователя Виктор Филимонов

Автору - громадное спасибо, за проделываемую на АШ работу. Очень интересно, и всегда познавательно.

Ещё раз спасибо.

Аватар пользователя Туфтонский рыцарь

Спасибо!

Аватар пользователя aldr
aldr(2 года 3 месяца)(14:24:50 / 15-06-2016)

таки за подборку спасибо, однако есть некоторые неточности.
- заголовок не соотв содержанию, т.к. ялк используется в гораздо большем объеме вне зеленой энергетики.
- на Маяке нет  исследовательских реакторов, только промышленные. Посему кремний облучают в них.
- не освещен вопрос размеров монокристалов, особенно динамика роста во времени
- "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."
здесь как раз о себестоимости никто не думает, а делают это исключительно от безысходности, т.к. совр.иссл реакторы постепенно выводятся из эксплуатации и легировать кремний скоро будет просто не на чем. Да и легируется он не в активной зоне, а в экране, т.е. использует бесполезно утекающие нейтроны..
 

Аватар пользователя Подольский

на Маяке нет  исследовательских реакторов, только промышленные. Посему кремний облучают в них.

На Маяке делают ЯЛК? 

Аватар пользователя aldr
aldr(2 года 3 месяца)(15:01:16 / 15-06-2016)

ja, ja; natürlich :)
сам лично предложил место и конструктив обл.устройства
 

Аватар пользователя Подольский

Маяк, конечно, государство в государстве :) Похоже флюэнс там нужен небольшой - т.е. сплошные транспортные операции?

Аватар пользователя aldr
aldr(2 года 3 месяца)(17:17:16 / 15-06-2016)

последний раз там был в прошлом веке, не знаю, что они сейчас крутят. Ячейка была на диаметр 105 мм, а крутили мелкое дерьмо из Запорожья, с непредсказуемым результатом на выходе. заказов было немного, но до и послереакторной суеты было много ибо мозгов было мало, а гонору много.
Вакер присылал им слитки на пробу, а я в то время знал, как их надо облучить чтобы получить результат в пределах Вакеровского допуска, но на мои предложения был ответ от гл инж.комбината - нам это нах не нужно. Да это и понятно, стоимость легирования - копейки по сравнению с госзаказом.
Руководящим пенсионэрам главное было получать з/п и пенсию, а новации не нужны были. В итоге с  Вакером ЦЗЛ обосралась. Ну а я ушел из ИАЭ  вместе со своим ноу-нах не нужным с зарплаты равной стоимости проездного на вольные хлеба, нужно было двоих малолеток кормить. Думаю, что до сих пор, то что я придумал, то и используют.

Аватар пользователя Ctavr
Ctavr(2 года 5 месяцев)(15:25:57 / 15-06-2016)

на сколько знаю на Руслане изготавливают ЯЛК и да он вполне себе промышленный, но этот мелкий недочет оставим на совести автора статьи...

Аватар пользователя aldr
aldr(2 года 3 месяца)(15:30:18 / 15-06-2016)

тот, кто знает его мочность никогда не поставит перед словом "пром.." слово "вполне"
 

Аватар пользователя Ctavr
Ctavr(2 года 5 месяцев)(15:03:28 / 15-06-2016)

Заголовок указывает на прямую зависимость зеленых технологий от "грязной"(с точки зрения самих зеленых) ядерных технологий, и именно в этом контексте расмотренно применение ЯЛК.

Аватар пользователя aldr
aldr(2 года 3 месяца)(15:13:53 / 15-06-2016)

извини, брат, не оценил твой сарказм  своим скудным умишком  :)
 

Аватар пользователя юрчён
юрчён(4 года 10 месяцев)(15:09:44 / 15-06-2016)

Какое то дебильное решение по управлению высоковольтными тиристорами, есть же оптотиристоры с управлением по оптоволокну, и тогда получается в сборке только сами тиристоры и демпфирующие и выравнивающие цепи, а блок управления один на всех.

Аватар пользователя Хурон
Хурон(4 года 7 месяцев)(15:51:23 / 15-06-2016)

На 6 kA? Не бывает таких оптотиристоров - невозможно обеспечить равномерную фотоэкспозицию по всей поверхности пластины такой площади от "точечного" (да и "распределенного" тоже) источника света для всей массы серийных изделий, что приведет к неодновременному "открыванию" тиристорных структур на пластине и возникновению локальных "горячих точек", с которыми только что "справились" ядерным легированием кремния. К тому же по количеству электролитов на плате управления можно оценить величину импульса "открывающего" тока управляющего электрода - до 100 А - и прикинуть, при КПД светодиода 10-15%, импульс тока для оптозапуска - что то около 1 kA.

Аватар пользователя юрчён
юрчён(4 года 10 месяцев)(16:13:41 / 15-06-2016)

На 8 кВ и 2.5 кА продаются фототиристоры, управляемые по оптоволокну, мощность лазерного драйвера в десятки милливатт,  может уже на рынке что то более мощное предлагают, не знаю.

Аватар пользователя юрчён
юрчён(4 года 10 месяцев)(16:23:16 / 15-06-2016)

Оказывается что есть и больше ....Компанией Infineon выпускается линейка силовых фототиристоров на напряжение 5200–8000В и токи 550–3400А (ц)

Аватар пользователя Хурон
Хурон(4 года 7 месяцев)(18:24:12 / 15-06-2016)

Да, действительно интересный этот Infenion!

 

Но 3400 А меньше 5000 А. И площадь кристалла у него тоже меньше - она как раз от максимального тока зависит. Как и цена - $1200 за всего то 540 А. Специальные меры по выравниванию токов в кристалле даром не даются.

Аватар пользователя Alexandr_A
Alexandr_A(5 лет 3 месяца)(20:11:45 / 15-06-2016)

Infenion совсем не аналог infineon. 

Лидеры обсуждений

за 4 часаза суткиза неделю

Лидеры просмотров

за неделюза месяцза год

СМИ

Загрузка...