Grüne Energie und nukleares Silizium

Ich denke, nur wenige Menschen wissen, dass alle erneuerbaren Energien heute von der Arbeit der Forschung an Kernreaktoren abhängen. Es handelt sich um kerndotiertes Silizium (NLC), das zur Herstellung von Hochspannungs-Leistungshalbleitern verwendet wird, ohne die erneuerbare Energien nicht möglich sind. Und jetzt im Detail.


12-Puls-Gleichrichter (links hängend) von Ultrahochspannungsleitungen sind ebenfalls wichtige Verbraucher von kerndotiertem Silizium.


Wenn wir uns das elektrische Diagramm eines Solar- oder Windkraftwerks ansehen, werden wir dort definitiv Wechselrichterausrüstung sehen - elektrische Maschinen, die einen Gleichstrom in einen anderen und in Netzwechselstrom umwandeln. Sie werden benötigt, um den Stromfluss innerhalb eines SES oder einer Windkraftanlage dynamisch zu organisieren und im richtigen Modus an das globale Stromnetz anzudocken.


Solche unauffälligen Boxen wandeln Megawatt Gleichstrom mit einer Spannung von mehreren hundert Volt in 50 Hertz 10-35 Kilovolt um.


Und in diesen Schlüsselbaugruppen arbeiten - zum Beispiel eine einphasige 6-Megawatt-H-Brücke mit 8 IGCT-Thyristoren, die im Folgenden beschrieben werden.

Wechselrichter wiederum sind Sätze von passiven Filtern, funktionierenden Induktivitäten und Transformatoren und vor allem leistungsstarken elektrischen Schaltern. Zwei Arten von Halbleiterschaltern arbeiten heute in Energiewechselrichtern - IGBT-Transistoren und IGCT-Thyristoren (die Buchstaben I in diesen Geräten bedeuten übrigens sehr unterschiedliche :))


IGCT-Thyristor (Tablette links) und seine Steuerschaltung (rechts). Der Thyristor besteht aus einem runden Siliziumwafer


und einem geöffneten IGBT-Modul mit etwas geringerer Leistung. Es ist keine Hochstrom-Verschlusssteuerung erforderlich, und der Schlüssel selbst besteht aus vielen kleinen Kristallen

Relativ kleine Halbleiterschalter haben heute maximale Betriebsspannungen von bis zu 7000 Volt bei einem Betriebsstrom von bis zu 5000 A, d.h. Ein Gerät von der Größe einer Tee-Untertasse kann 35 Megawatt schalten. Zusammen mit dem höchsten Wirkungsgrad im Bereich von 99% und einer relativ hohen Schaltfrequenz haben solche Tasten die Welt der modernen Leistungselektronik weitgehend bestimmt. Neben erneuerbaren Energien und Ultrahochspannungs-Gleichstromleitungen sind heute die Hauptverbraucher solcher Produkte Leistungsantriebe (Elektromotoren) mit hohem Wirkungsgrad und flexiblem Betrieb - beispielsweise Antriebe von Elektrolokomotiven, Tesla-Elektrofahrzeugen oder leistungsstarke Werkzeugmaschinen.


Der Thyristor im Gehäuse (das sogenannte Presspack) und die Siliziumplatte selbst, die den Strom pendelt.

Alle Halbleiterschalter mit Betriebsspannungen über 1600 Volt bestehen also aus Silizium, das in einem Kernreaktor bestrahlt wurde - kerndotiertes Silizium. Derzeit werden in zwei Dutzend Bestrahlungsanlagen etwa 150 Tonnen solchen Siliziums pro Jahr hergestellt, die üblicherweise auf Forschungsreaktoren basieren. Die Hersteller sind auf der ganzen Welt verstreut, und das Volumen dieses Marktes beträgt ungefähr 150 Millionen US-Dollar pro Jahr. Dies ist einer der größten Weltmärkte für Isotopenprodukte. Einschließlich Mehrere russische Forschungsreaktoren (Tomsk Polytechnic, NIFHI, Mayak, NIIAR) liefern etwa 10% der weltweiten Lieferungen. In der Regel arbeiten die Organisationen, denen die Reaktoren gehören, mit Lieferanten von Silizium zusammen, die das Rohmaterial vorbereiten und das Schneiden der Barren in Platten und die Vermarktung sicherstellen.


Barren nach Bestrahlung und Glühen.

Kerndotiertes Silizium (oder mit Neutronentransmutation dotiertes Silizium) ist ein ultrareines Silizium, bei dem durch Neutronenstrahlung aus einem Reaktor ein Teil der Atome des 30Si-Isotops in 31P-Phosphoratome umgewandelt wird, wodurch eine Verunreinigungsleitfähigkeit vom n-Typ erzeugt wird. Traditionell wird eine solche Dotierung durch Einmischen einer sehr kleinen Menge Phosphor in die Siliziumschmelze erzeugt, aber das Problem besteht darin, dass die lokale Konzentration des Dotierstoffs um einige zehn Prozent vom Durchschnittswert abweichen kann. Bei Hochspannungsschaltern führt eine solche Streuung zum Auftreten von "Hot Spots", an denen viel mehr Strom zu fließen beginnt als im Durchschnitt und der Transistor oder Thyristor durchbricht. Das Legieren durch Neutronenbestrahlung ermöglicht die Verwendung einiger Tricks, um eine Gleichmäßigkeit von mehr als 5% Abweichung vom Durchschnittswert zu erreichen - manchmal sogar besser als 3%.


Und dies sind die Bestrahlungsgeräte der dänischen Firma Topsil, die Ende der 70er Jahre als erste mit der kommerziellen Produktion von YALK begann.

Dazu wird ein Block aus reinem Einkristall-Silizium in einen Kernreaktor gegeben, der möglicherweise vor Gammastrahlung und schnellen Neutronen geschützt ist und die Struktur des Kristalls beeinträchtigt. Für den Standardwert des Neutronenflusses in Forschungsreaktoren (von 10 ¹² bis 10 ¹⁴ Neutronen pro cm ² pro Sekunde) dauert es einige Stunden bis zu einem Tag Bestrahlung, um eine gegebene Leitfähigkeit eines Siliziumkristalls zu erhalten. In diesem Fall erfolgt die Dotierung gemäß der Reaktion ³⁰ Si + n -> ³¹ Si -> ³¹P (Halbwertszeit von 2,6 Stunden) und das erhaltene Silizium müssen einige Tage aufbewahrt werden, damit seine Radioaktivität auf ein sicheres Niveau abfällt.


Die Beziehung zwischen der Neutronendosis, der Leitfähigkeit und dem resultierenden Dotierstoffgehalt im NLC.

Während der Bestrahlung wird der Barren gedreht und auf und ab bewegt, um gleichmäßig mit Neutronen zu beleuchten. Darüber hinaus verwenden einige leistungsstarke Reaktoren einen Profilabsorber aus Cadmium oder Bor, der zusätzlich die axiale Unregelmäßigkeit des Neutronenflusses ausgleicht.
Heutzutage gibt es jedoch nichtnukleare Methoden zum Dotieren von Silizium, die es ermöglichen, nahezu nukleare Qualität zu erzielen, und sie verdrängen YaLK aus dem Bereich von 600 bis 1600 Volt, in dem zuvor auch nur nukleares Silizium verwendet wurde. Die oben genannten Spannungen unterliegen jedoch immer noch keinen chemischen Methoden, und im Rahmen des allgemeinen Trends zur Erhöhung der spezifischen Leistung steigen die Spannungen der Leistungselektronik ständig an, sodass ein Platz für Silizium-NLC vorhanden ist.


Verschiedene Technologien zur Herstellung dotierter Siliziumwafer (CZ, CZ-EPI, FZ-PFZ und nukleares FZ-NTD) konzentrieren sich auf verschiedene Nischen, einschließlich Spannung, Bild von einem führenden Hersteller von Silizium Topsil

Darüber hinaus prognostizieren Analysten einen Anstieg des YaLK-Verbrauchs, der mit einem Anstieg der Anzahl von Elektrofahrzeugen mit einer Hochvoltbatterie verbunden ist (bei einer Batteriespannung von 800 Volt werden bereits Schlüssel mit einer Betriebsspannung von 1600 und höheren Volt verwendet, basierend auf YaL-Silizium). Einige Schätzungen gehen von einem Marktwachstum von 150 auf 500 Tonnen und mehr im nächsten Jahrzehnt aus. Daher legen viele neue Reaktoren, die sich bereits in der Entwurfsphase im Bau befinden, Kanäle für die Herstellung von kerndotiertem Silizium auf, um auf diese Weise die Kosten des Reaktors für die Steuerzahler zu senken. Solche Kanäle befinden sich beispielsweise in MBIR und JHR .


Während der Tesla Model S-Wechselrichter, der einen 300-Kilowatt-Motor steuert, 84 IGBT-Transistoren mit einer Betriebsspannung von 600 Volt enthält, ist dies höchstwahrscheinlich nicht mit kerndotiertem Silizium verbunden. Dies ist jedoch bei weitem nicht die fortschrittlichste Lösung für heute.

Die "grüne elektrische Zukunft" der Menschheit ist also untrennbar mit der Kerntechnik, den Kernreaktoren und anderen schrecklich nicht ökologischen Erben des 20. Jahrhunderts verbunden.

Source: https://habr.com/ru/post/de388867/