الطاقة الخضراء والسيليكون النووي

أعتقد أن قلة من الناس يعرفون أن كل الطاقة المتجددة اليوم تعتمد على عمل المفاعلات النووية البحثية. نحن نتحدث عن السيليكون المخدر (NLC) الذي تم الحصول عليه فيه ، والذي يستخدم لإنتاج أشباه الموصلات ذات الجهد العالي ، والتي بدونها تكون الطاقة المتجددة مستحيلة. والآن بمزيد من التفصيل.


تعد مقومات 12-نبضة (معلقة على اليسار) لخطوط الطاقة عالية الجهد أيضًا مستهلكين مهمين للسيليكون المخدر نوويًا.


إذا ألقينا نظرة على الرسم البياني الكهربائي لأي محطة للطاقة الشمسية أو طاقة الرياح ، فسوف نرى بالتأكيد معدات العاكس هناك - الآلات الكهربائية التي تحول تيارًا مباشرًا إلى آخر وإلى تيار متناوب على الشبكة. إنها ضرورية للتنظيم الديناميكي لتدفق الكهرباء داخل SES أو توربينات الرياح وللإرساء مع شبكة الطاقة العالمية في الوضع الصحيح.


وتحول هذه الصناديق غير الواضحة الميغاواط من التيار المباشر بجهد عدة مئات فولت إلى 50 هيرتز 10-35 كيلوفولت.


وداخل هذه التجميعات الرئيسية تعمل - على سبيل المثال ، جسر H أحادي الطور بقدرة 6 ميجاوات ، يحتوي على 8 ثايرستور IGCT ، موصوف أدناه.

العاكسون ، بدورهم ، عبارة عن مجموعات من المرشحات السلبية ، والمحاثات والمحولات العاملة ، والأهم من ذلك - مفاتيح كهربائية قوية. يعمل نوعان من مفاتيح أشباه الموصلات في محولات الطاقة اليوم - ترانزستورات IGBT وثايرستور IGCT (بالمناسبة ، الحروف I في هذه الأجهزة تعني اختلافًا كبيرًا :))


ثايرستور IGCT (الجهاز اللوحي على اليسار) ودائرة التحكم الخاصة به (على اليمين). يتكون الثايرستور من رقاقة السيليكون المستديرة


، ووحدة IGBT مفتوحة بقدرة أقل قليلاً. ليست هناك حاجة للتحكم في الغالق عالي التيار ، والمفتاح نفسه يتكون من العديد من البلورات الصغيرة

تتمتع مفاتيح أشباه الموصلات الصغيرة نسبيًا اليوم بأقصى جهد تشغيل يصل إلى 7000 فولت مع تيار تشغيل يصل إلى 5000 أمبير ، أي جهاز بحجم صحن الشاي قادر على تبديل 35 ميغاوات. إلى جانب أعلى كفاءة في المنطقة بنسبة 99٪ وتردد تبديل مرتفع نسبيًا ، حددت هذه المفاتيح إلى حد كبير عالم إلكترونيات الطاقة الحديثة. اليوم ، بالإضافة إلى الطاقة المتجددة وخطوط الطاقة الحالية ذات الجهد العالي للغاية ، فإن المستهلكين الرئيسيين لهذه المنتجات هم محركات الطاقة (المحركات الكهربائية) ذات الكفاءة العالية والتشغيل المرن - على سبيل المثال ، محركات القاطرات الكهربائية أو المركبات الكهربائية تسلا أو الآلات القوية.


الثايرستور في العلبة (ما يسمى بعلبة الضغط) ولوحة السليكون نفسها ، التي تخفض التيار.

لذا ، فإن جميع مفاتيح أشباه الموصلات ذات الفولتية التشغيلية فوق 1600 فولت مصنوعة من السليكون ، الذي تم إشعاعه في مفاعل نووي - سيليكون مخدر نووي. في الوقت الحالي ، يتم إنتاج حوالي 150 طنًا من هذا السيليكون سنويًا في عشرين محطة تشعيع ، عادةً ما تعتمد على مفاعلات البحث. يتناثر المصنعون حول العالم ، ويبلغ حجم هذا السوق حوالي 150 مليون دولار سنويًا ، وهي واحدة من أكبر الأسواق العالمية لمنتجات النظائر. بما في ذلك توفر العديد من مفاعلات البحث الروسية (Tomsk Polytechnic ، NIFHI ، Mayak ، NIIAR) حوالي 10 ٪ من الإمدادات العالمية. عادة ، تعمل المنظمات التي تمتلك المفاعلات بالاشتراك مع موردي السيليكون ، الذين يعدون المواد الخام ، ويضمنون قطع السبائك في لوحات وتسويق.


سبيكة بعد التشعيع والتليين.

السليكون المشبع بالنواة (أو السليكون المشبع بالنيوترون) هو سليكون نقي للغاية يتم فيه إرسال جزء من ذرات نظير 30Si إلى ذرات الفسفور 31P ، عن طريق الإشعاع النيوتروني من مفاعل ، مما يخلق موصلية شائبة من نوع n. تقليديا ، يتم إنشاء مثل هذه المنشطات عن طريق خلط كمية صغيرة جدا من الفوسفور في ذوبان السليكون ، لكن المشكلة هي أن التركيز المحلي للشبة يمكن أن يختلف بعشرات في المئة من متوسط ​​القيمة. في المفاتيح ذات الجهد العالي ، يؤدي هذا الانتشار إلى ظهور "النقاط الساخنة" ، حيث يبدأ التيار في التدفق أكثر بكثير من المتوسط ​​وينكسر الترانزستور أو الثايرستور. يتيح استخدام السبائك عن طريق التشعيع النيوتروني استخدام بعض الحيل لتحقيق التماثل بشكل أفضل من انحراف 5٪ عن متوسط ​​القيمة - وأحيانًا أفضل من 3٪.


وهذه أجهزة تشعيع تابعة لشركة توبسيل الدنماركية ، والتي كانت أول من بدأ الإنتاج التجاري لـ YALK في أواخر السبعينيات.

لهذا ، يتم وضع سبيكة من السيليكون النقي أحادي البلورة في مفاعل نووي ، ربما محمي من أشعة جاما والنيوترونات السريعة ، التي تفسد البنية البلورية. للحصول على القيمة القياسية لتدفق النيوترون في مفاعلات البحث (من 10 ¹² إلى 10 ¹⁴ نيوترون لكل سم ² في الثانية) ، يستغرق الأمر من ساعتين إلى يوم من الإشعاع للحصول على توصيل معين من بلورة السيليكون. في هذه الحالة ، تحدث المنشطات وفقًا للتفاعل ³⁰ Si + n -> ³¹ Si -> ³¹P (نصف عمر 2.6 ساعة) ، ويجب الاحتفاظ بالسيليكون الذي تم الحصول عليه لبضعة أيام بحيث ينخفض ​​نشاطه الإشعاعي إلى مستويات آمنة.


العلاقة بين جرعة النيوترون ، والتوصيل ، ومحتوى المنشطات الناتجة في NLC.

أثناء التشعيع ، يتم تدوير السبيكة وتحريكها لأعلى ولأسفل لتضيء بشكل موحد بالنيوترونات. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم بعض المفاعلات القوية ممتصًا ملفيًا مصنوعًا من الكادميوم أو البورون ، والذي يثبت أيضًا عدم الانتظام المحوري لتدفق النيوترون.
ومع ذلك ، هناك اليوم طرق غير نووية لتعاطي السليكون ، والتي تجعل من الممكن الحصول على جودة نووية تقريبًا ، وهي تحل محل YaLK من منطقة 600-1600 فولت ، حيث تم استخدام السليكون النووي فقط في السابق. ومع ذلك ، لا تزال الفولتية المذكورة أعلاه غير خاضعة للطرق الكيميائية ، وضمن إطار الاتجاه العام لزيادة الطاقة المحددة ، تزداد فولتات إلكترونيات الطاقة باستمرار ، لذلك هناك مكان للسيليكون NLC.


تركز التقنيات المختلفة لإنتاج رقائق السيليكون المخدرة (CZ ، CZ-EPI ، FZ-PFZ والنووية FZ-NTD) على منافذ مختلفة ، بما في ذلك الجهد ، صورة من الشركة الرائدة في مجال السيليكون توبسيل

علاوة على ذلك ، يتوقع المحللون زيادة في استهلاك YaLK ، مقترنًا بزيادة في عدد المركبات الكهربائية ذات البطارية عالية الجهد (بجهد بطارية 800 فولت ، يتم استخدام مفاتيح بجهد تشغيل 1600 وأعلى فولت ، اعتمادًا على سيليكون YaL). تشير بعض التقديرات إلى نمو السوق من 150 إلى 500 طن وما فوق في العقد المقبل. لذلك ، فإن العديد من المفاعلات الجديدة قيد الإنشاء ، حتى في مرحلة التصميم ، تضع قنوات لإنتاج السيليكون المخدر نوويًا ، على أمل بهذه الطريقة في تقليل تكلفة المفاعل لدافعي الضرائب. على سبيل المثال ، ستكون هذه القنوات بتنسيق MBIR و JHR .


ومع ذلك ، في حين أن عاكس Tesla Model S الذي يتحكم في محرك 300 كيلووات يشتمل على 84 ترانزستورات IGBT بجهد تشغيل 600 فولت ، على الأرجح لا تتعلق بالسيليكون المخدر نوويًا. ومع ذلك ، هذا أبعد ما يكون عن الحل الأكثر تقدمًا اليوم.

لذا فإن "المستقبل الكهربائي الأخضر" للبشرية مرتبط ارتباطًا وثيقًا بالتكنولوجيا النووية والمفاعلات النووية وغيرها من التراث غير البيئي الرهيب في القرن العشرين.

Source: https://habr.com/ru/post/ar388867/