Energía Verde y Silicio Nuclear

Creo que pocas personas saben que toda la energía renovable actual depende del trabajo de investigación de reactores nucleares. Estamos hablando del silicio dopado nuclear (NLC) obtenido en él, que se utiliza para producir semiconductores de potencia de alto voltaje, sin los cuales la energía renovable es imposible. Y ahora con más detalle.


Los rectificadores de 12 pulsos (colgados a la izquierda) de las líneas eléctricas de voltaje ultra alto también son consumidores importantes de silicio dopado nuclear.


Si observamos el diagrama eléctrico de cualquier planta de energía solar o eólica, definitivamente veremos equipos inversores allí: máquinas eléctricas que convierten una corriente continua en otra y en corriente alterna de red. Son necesarios para organizar dinámicamente el flujo de electricidad dentro de un SES o una turbina eólica y para acoplarse a la red eléctrica global en el modo correcto.


Estas cajas discretas convierten megavatios de corriente continua con un voltaje de varios cientos de voltios en 50 hertzios 10-35 kilovoltios.


Y dentro de estos conjuntos clave están funcionando, por ejemplo, un puente H monofásico de 6 megavatios, tiene 8 tiristores IGCT, que se describen a continuación.

Los inversores, a su vez, son conjuntos de filtros pasivos, inductores y transformadores que funcionan, y lo más importante: interruptores eléctricos potentes. Hoy en día, funcionan dos tipos de interruptores semiconductores en inversores de energía: transistores IGBT y tiristores IGCT (por cierto, las letras I en estos dispositivos significan muy diferentes :))


tiristor IGCT (tableta a la izquierda) y su circuito de control (a la derecha). El tiristor está hecho de una oblea de silicio redonda


y un módulo IGBT abierto con una potencia ligeramente menor. No hay necesidad de controlar el obturador de alta corriente, y la llave en sí está compuesta por muchos cristales pequeños

Los interruptores semiconductores relativamente pequeños de la actualidad tienen voltajes operativos máximos de hasta 7000 voltios con una corriente operativa de hasta 5000 A, es decir. Un dispositivo del tamaño de un plato de té es capaz de cambiar 35 megavatios. Junto con la mayor eficiencia en la región del 99% y una frecuencia de conmutación relativamente alta, tales teclas han determinado en gran medida el mundo de la electrónica de potencia moderna. Hoy en día, además de las energías renovables y las líneas de corriente continua de voltaje ultra alto, el principal consumidor de estos productos son los motores (motores eléctricos) con alta eficiencia y operación flexible, por ejemplo, motores de locomotoras eléctricas, vehículos eléctricos Tesla o máquinas herramientas potentes.


El tiristor en el caso (el llamado paquete de prensa) y la propia placa de silicio, que conmuta la corriente.

Por lo tanto, todos los interruptores semiconductores con voltajes operativos superiores a 1600 voltios están hechos de silicio, que se irradió en un reactor nuclear: silicio dopado nuclear. Actualmente, se producen alrededor de 150 toneladas de este tipo de silicio por año en dos docenas de plantas de irradiación, generalmente basadas en reactores de investigación. Los fabricantes están dispersos por todo el mundo, y el volumen de este mercado es de aproximadamente $ 150 millones al año, y este es uno de los mayores mercados mundiales de productos isotópicos. Incluyendo Varios reactores de investigación rusos (Tomsk Polytechnic, NIFHI, Mayak, NIIAR) proporcionan alrededor del 10% de los suministros mundiales. Por lo general, las organizaciones propietarias de los reactores trabajan en conjunto con proveedores de silicio, que preparan la materia prima y aseguran el corte de los lingotes en placas y su comercialización.


Lingote después de irradiación y recocido.

El silicio dopado nuclear (o silicio dopado por transmutación de neutrones) es un silicio ultra puro en el que, mediante la radiación de neutrones de un reactor, parte de los átomos del isótopo 30Si se transmutan en átomos de fósforo 31P, creando conductividad de impurezas de tipo n. Tradicionalmente, este dopaje se crea mezclando una cantidad muy pequeña de fósforo en la masa fundida de silicio, pero el problema es que en este caso la concentración local del dopante puede diferir en decenas de por ciento del valor promedio. En los interruptores de alto voltaje, tal propagación conduce a la aparición de "puntos calientes", donde comienza a fluir mucha más corriente que el promedio y el transistor o el tiristor se rompen. La aleación mediante irradiación de neutrones permite utilizar algunos trucos para lograr una uniformidad mejor que una desviación del 5% del valor promedio, a veces incluso mejor que el 3%.


Y estos son los dispositivos de irradiación de la compañía danesa Topsil, que fue la primera en comenzar la producción comercial de YALK a finales de los años 70.

Para esto, se coloca un lingote de silicio puro de cristal único en un reactor nuclear, posiblemente protegido de la radiación gamma y los neutrones rápidos, que estropean la estructura del cristal. Para el valor estándar del flujo de neutrones en los reactores de investigación (de 10 ¹² a 10 ¹⁴ neutrones por cm ² por segundo), se necesita de un par de horas a un día de irradiación para obtener una conductividad dada de un cristal de silicio. En este caso, el dopaje ocurre según la reacción ³⁰ Si + n -> ³¹ Si -> ³¹P (vida media de 2.6 horas), y el silicio obtenido debe mantenerse durante un par de días para que su radiactividad caiga a niveles seguros.


La relación entre la dosis de neutrones, la conductividad y el contenido de dopante resultante en el NLC

Durante la irradiación, el lingote se gira y se mueve hacia arriba y hacia abajo para iluminarlo uniformemente con neutrones. Además, algunos reactores potentes utilizan un absorbedor de perfiles de cadmio o boro, que además iguala la irregularidad axial del flujo de neutrones.
Sin embargo, hoy en día existen métodos no nucleares de dopaje de silicio, que permiten obtener una calidad casi nuclear, y desplazan a YaLK de la región de 600-1600 voltios, donde anteriormente solo se usaba silicio nuclear. Sin embargo, los voltajes anteriores aún no están sujetos a métodos químicos, y en el marco de la tendencia general de aumentar la potencia específica, los voltajes de la electrónica de potencia se elevan constantemente, por lo que hay un lugar para el NLC de silicio.


Las diferentes tecnologías para producir obleas de silicio dopado (CZ, CZ-EPI, FZ-PFZ y nuclear FZ-NTD) se centran en diferentes nichos, incluidos voltaje, imagen de un fabricante líder de silicio Topsil

Además, los analistas predicen un aumento en el consumo de YaLK, asociado con un aumento en el número de vehículos eléctricos con una batería de alto voltaje (con un voltaje de batería de 800 voltios, ya se usan llaves con un voltaje de funcionamiento de 1600 y voltios más altos, basados ​​en silicio YaL). Algunas estimaciones indican un crecimiento del mercado de 150 a 500 toneladas y más en la próxima década. Por lo tanto, muchos reactores nuevos en construcción, incluso en la etapa de diseño, establecen canales para producir silicio dopado nuclear, con la esperanza de reducir el costo del reactor para los contribuyentes. Por ejemplo, dichos canales estarán en MBIR y JHR .


Sin embargo, mientras que el inversor Tesla Modelo S que controla un motor de 300 kilovatios incorpora 84 transistores IGBT con un voltaje de funcionamiento de 600 voltios, lo más probable es que no esté relacionado con el silicio dopado nuclear. Sin embargo, esto está lejos de ser la solución más avanzada de hoy.

Por lo tanto, el "futuro eléctrico verde" de la humanidad está inextricablemente vinculado con la tecnología nuclear, los reactores nucleares y otros bienes terriblemente no ecológicos del siglo XX.

Source: https://habr.com/ru/post/es388867/