Énergie verte et silicium nucléaire

Je pense que peu de gens savent que toute l'énergie renouvelable aujourd'hui dépend du travail des réacteurs nucléaires de recherche. Nous parlons de silicium dopé nucléaire (NLC) qui y est obtenu, qui est utilisé pour produire des semi-conducteurs de puissance à haute tension, sans lesquels l'énergie renouvelable est impossible. Et maintenant plus en détail.


Les redresseurs à 12 impulsions (suspendus à gauche) des lignes électriques à très haute tension sont également d'importants consommateurs de silicium dopé nucléaire.


Si nous examinons le schéma électrique de toute centrale solaire ou éolienne, nous y verrons certainement des équipements onduleurs - des machines électriques qui convertissent un courant continu en un autre et en courant alternatif de réseau. Ils sont nécessaires pour organiser dynamiquement le flux d'électricité à l'intérieur d'un SES ou d'une éolienne et pour se connecter au réseau électrique mondial dans le bon mode.


Ces boîtiers discrets transforment des mégawatts de courant continu avec une tension de plusieurs centaines de volts en 50 hertz 10-35 kilovolts.


Et à l'intérieur de ces assemblages clés fonctionnent - par exemple, un pont en H monophasé de 6 mégawatts, il a 8 thyristors IGCT, qui sont décrits ci-dessous.

Les onduleurs, à leur tour, sont des ensembles de filtres passifs, des inducteurs et des transformateurs qui fonctionnent, et surtout - des interrupteurs électriques puissants. Deux types de commutateurs à semi-conducteurs fonctionnent aujourd'hui dans les onduleurs d'énergie - les transistors IGBT et les thyristors IGCT (au fait, les lettres I dans ces appareils signifient très différents :))


Thyristor IGCT (tablette à gauche) et son circuit de commande (à droite). Le thyristor est constitué d'une plaquette ronde en silicium


et d'un module IGBT ouvert avec une puissance légèrement inférieure. Il n'est pas nécessaire de contrôler l'obturateur à courant élevé, et la clé elle-même est composée de nombreux petits cristaux

Les commutateurs à semi-conducteurs relativement petits ont aujourd'hui des tensions de fonctionnement maximales allant jusqu'à 7000 volts avec un courant de fonctionnement allant jusqu'à 5000 A, c'est-à-dire un appareil de la taille d'une soucoupe à thé est capable de commuter 35 mégawatts. Avec le rendement le plus élevé de la région de 99% et une fréquence de commutation relativement élevée, ces touches ont largement déterminé le monde de l'électronique de puissance moderne. Aujourd'hui, en plus des énergies renouvelables et des lignes électriques à courant continu ultra-haute tension, les principaux consommateurs de ces produits sont les entraînements électriques (moteurs électriques) à haut rendement et à fonctionnement flexible - par exemple, les entraînements de locomotives électriques, de véhicules électriques Tesla ou de puissantes machines-outils.


Le thyristor dans le boîtier (le soi-disant pack de presse) et la plaque de silicium elle-même, qui commute le courant.

Ainsi, tous les commutateurs à semi-conducteurs avec des tensions de fonctionnement supérieures à 1600 volts sont en silicium, qui a été irradié dans un réacteur nucléaire - du silicium dopé nucléaire. Actuellement, environ 150 tonnes de silicium par an sont produites dans deux douzaines d'installations d'irradiation, généralement basées sur des réacteurs de recherche. Les fabricants sont dispersés dans le monde entier, et le volume de ce marché est d'environ 150 millions de dollars par an, et c'est l'un des plus grands marchés mondiaux pour les produits isotopiques. Y compris plusieurs réacteurs de recherche russes (Tomsk Polytechnic, NIFHI, Mayak, NIIAR) fournissent environ 10% des approvisionnements mondiaux. En règle générale, les organisations propriétaires des réacteurs travaillent en collaboration avec des fournisseurs de silicium, qui préparent la matière première et assurent la découpe des lingots en plaques et la commercialisation.


Lingot après irradiation et recuit.

Le silicium dopé nucléaire (ou silicium dopé par transmutation neutronique) est un silicium ultra-pur dans lequel, par le rayonnement neutronique d'un réacteur, une partie des atomes de l'isotope 30Si est transmuée en atomes de phosphore 31P, créant une conductivité d'impureté de type n. Traditionnellement, un tel dopage est créé en mélangeant une très petite quantité de phosphore dans la masse fondue de silicium, mais le problème est que dans ce cas, la concentration locale du dopant peut différer de plusieurs dizaines de pour cent de la valeur moyenne. Dans les commutateurs haute tension, une telle propagation conduit à l'apparition de "points chauds", où beaucoup plus de courant commence à circuler que la moyenne et le transistor ou le thyristor se rompt. L'alliage par irradiation neutronique permet d'utiliser certaines astuces pour obtenir une uniformité meilleure que 5% d'écart par rapport à la valeur moyenne - parfois même meilleure que 3%.


Et ce sont les appareils d'irradiation de la société danoise Topsil, qui a été la première à lancer la production commerciale de YALK à la fin des années 70.

Pour cela, un lingot de silicium monocristallin pur est placé dans un réacteur nucléaire, éventuellement à l'abri des rayonnements gamma et des neutrons rapides, qui gâchent la structure cristalline. Pour la valeur standard du flux neutronique dans les réacteurs de recherche (de 10 ¹² à 10 ¹⁴ neutrons par cm ² par seconde), il faut de quelques heures à un jour d'irradiation pour obtenir une conductivité donnée d'un cristal de silicium. Dans ce cas, le dopage se produit selon la réaction ³⁰ Si + n -> ³¹ Si -> ³¹P (demi-vie de 2,6 heures) et le silicium obtenu doit être conservé pendant quelques jours afin que sa radioactivité tombe à des niveaux sûrs.


Relation entre la dose de neutrons, la conductivité et la teneur en dopants résultante dans le NLC

Pendant l'irradiation, le lingot est tourné et déplacé de haut en bas pour illuminer uniformément les neutrons. De plus, certains réacteurs puissants utilisent un absorbeur de profilage de cadmium ou de bore, qui égalise en outre l'irrégularité axiale du flux neutronique.
Cependant, il existe aujourd'hui des méthodes non nucléaires de dopage du silicium, qui permettent d'obtenir une qualité quasi nucléaire, et elles déplacent YaLK de la région de 600-1600 volts, où auparavant seul le silicium nucléaire était également utilisé. Cependant, les tensions ci-dessus ne sont toujours pas soumises à des méthodes chimiques, et dans le cadre de la tendance générale à l'augmentation de la puissance spécifique, les tensions de l'électronique de puissance grimpent constamment, il y a donc une place pour le silicium NLC.


Différentes technologies de production de tranches de silicium dopé (CZ, CZ-EPI, FZ-PFZ et nucléaire FZ-NTD) se concentrent sur différentes niches, notamment tension, photo d'un fabricant leader de silicium Topsil

De plus, les analystes prédisent une augmentation de la consommation de YaLK, associée à une augmentation du nombre de véhicules électriques avec une batterie haute tension (avec une tension de batterie de 800 volts, des clés avec une tension de fonctionnement de 1600 et des volts supérieurs sont déjà utilisées, à base de silicium YaL). Certaines estimations indiquent une croissance du marché de 150 à 500 tonnes et plus au cours de la prochaine décennie. Par conséquent, de nombreux nouveaux réacteurs en construction, même au stade de la conception, ouvrent la voie à la production de silicium dopé nucléaire, espérant ainsi réduire le coût du réacteur pour les contribuables. Par exemple, ces canaux seront en MBIR et JHR .


Cependant, alors que l'onduleur Tesla Model S contrôlant un moteur de 300 kilowatts comprend 84 transistors IGBT avec une tension de fonctionnement de 600 volts, probablement sans rapport avec le silicium dopé nucléaire. Cependant, c'est loin d'être la solution la plus avancée pour aujourd'hui.

Ainsi, «l'avenir électrique vert» de l'humanité est inextricablement lié à la technologie nucléaire, aux réacteurs nucléaires et à tout autre patrimoine terriblement non écologique du XXe siècle.

Source: https://habr.com/ru/post/fr388867/