Energi Hijau dan Silikon Nuklir

Saya pikir hanya sedikit orang yang tahu bahwa semua energi terbarukan saat ini bergantung pada pekerjaan reaktor nuklir penelitian. Kita berbicara tentang silikon yang didoping nuklir (NLC) yang diperoleh di dalamnya, yang digunakan untuk menghasilkan semikonduktor bertegangan tinggi, yang tanpanya energi terbarukan menjadi tidak mungkin. Dan sekarang lebih terinci.


Rectifier 12-pulsa (tergantung di sebelah kiri) dari saluran listrik tegangan ultra-tinggi juga merupakan konsumen penting silikon yang didoping nuklir.


Jika kita melihat diagram kelistrikan dari pembangkit listrik tenaga surya atau angin, kita pasti akan melihat peralatan inverter di sana - mesin listrik yang mengubah satu arus searah ke arus searah dan menjadi arus bolak-balik jaringan. Mereka diperlukan untuk secara dinamis mengatur aliran listrik di dalam SES atau turbin angin dan untuk berlabuh dengan jaringan listrik global dalam mode yang benar.


Kotak yang tidak mencolok mengubah megawatt arus searah dengan tegangan beberapa ratus volt menjadi 50 hertz 10-35 kilovolt.


Dan di dalam majelis-majelis utama ini berfungsi - misalnya, jembatan H satu fase 6-megawatt, ia memiliki 8 thyristor IGCT, yang dijelaskan di bawah ini.

Inverter, pada gilirannya, adalah set filter pasif, induktor dan transformator yang berfungsi, dan yang paling penting - sakelar listrik yang kuat. Dua jenis sakelar semikonduktor saat ini berfungsi dalam inverter energi - transistor IGBT dan thyristor IGCT (omong-omong, huruf I pada perangkat ini sangat berbeda :))


thyristor IGCT (tablet di sebelah kiri) dan sirkuit kontrolnya (di sebelah kanan). Thyristor terbuat dari silikon wafer bulat


dan modul IGBT terbuka dengan daya yang sedikit lebih rendah. Tidak perlu untuk kontrol rana arus tinggi, dan kuncinya sendiri terdiri dari banyak kristal kecil

Sakelar semikonduktor yang relatif kecil saat ini memiliki voltase operasi maksimum hingga 7000 volt dengan arus operasi hingga 5.000 A, mis. sebuah alat seukuran piring teh mampu beralih 35 megawatt. Seiring dengan efisiensi tertinggi di wilayah 99% dan frekuensi switching yang relatif tinggi, kunci tersebut telah sangat menentukan dunia elektronik daya modern. Saat ini, selain energi terbarukan dan saluran listrik arus searah ultra-tegangan tinggi, konsumen utama produk tersebut adalah penggerak daya (motor listrik) dengan efisiensi tinggi dan operasi yang fleksibel - misalnya, penggerak lokomotif listrik, kendaraan listrik Tesla, atau peralatan mesin yang kuat.


Thyristor dalam case (paket pers) dan pelat silikon itu sendiri, yang mengubah arus.

Jadi, semua sakelar semikonduktor dengan voltase operasi di atas 1600 volt terbuat dari silikon, yang disinari dalam reaktor nuklir - silikon yang didoping nuklir. Saat ini, sekitar 150 ton silikon tersebut per tahun diproduksi di dua lusin pabrik iradiasi, biasanya berdasarkan reaktor riset. Produsen tersebar di seluruh dunia, dan volume pasar ini sekitar $ 150 juta per tahun, dan ini adalah salah satu pasar dunia terbesar untuk produk isotop. Termasuk beberapa reaktor riset Rusia (Tomsk Polytechnic, NIFHI, Mayak, NIIAR) menyediakan sekitar 10% dari pasokan global. Biasanya, organisasi yang memiliki reaktor bekerja bersama dengan pemasok silikon, yang menyiapkan bahan baku, dan memastikan pemotongan ingot ke dalam pelat dan pemasaran.


Ingot setelah iradiasi dan anil.

Silikon yang didoping nuklir (atau silikon yang didoping transmutasi Neutron) adalah silikon ultra-murni di mana, dengan radiasi neutron dari reaktor, beberapa atom isotop 30Si ditransmutasikan menjadi atom fosfor 31P, menciptakan konduktivitas pengotor tipe-n. Secara tradisional, doping semacam itu dibuat dengan mencampur sejumlah kecil fosfor ke dalam silikon meleleh, tetapi masalahnya adalah dalam hal ini konsentrasi dopan lokal dapat berbeda hingga puluhan persen dari nilai rata-rata. Dalam sakelar bertegangan tinggi, penyebaran semacam itu mengarah pada munculnya "titik panas", di mana arus yang lebih banyak mulai mengalir daripada rata-rata dan transistor atau thyristor rusak. Paduan dengan iradiasi neutron memungkinkan menggunakan beberapa trik untuk mencapai keseragaman yang lebih baik dari penyimpangan 5% dari nilai rata-rata - kadang-kadang bahkan lebih baik dari 3%.


Dan ini adalah perangkat iradiasi dari perusahaan Denmark Topsil, yang merupakan yang pertama memulai produksi komersial YALK pada akhir 70-an.

Untuk ini, sebuah ingot silikon kristal tunggal murni ditempatkan dalam reaktor nuklir, kemungkinan terlindung dari radiasi gamma dan neutron cepat, yang merusak struktur kristal. Untuk nilai standar fluks neutron dalam reaktor riset (dari 10 ¹² hingga 10 ¹⁴ neutron per cm ² per detik), diperlukan beberapa jam hingga satu hari iradiasi untuk mendapatkan konduktivitas tertentu dari kristal silikon. Dalam hal ini, doping terjadi sesuai dengan reaksi ³⁰ Si + n -> ³¹ Si -> ³¹P (waktu paruh 2,6 jam), dan silikon yang diperoleh harus disimpan selama beberapa hari sehingga radioaktivitas turun ke tingkat yang aman.


Hubungan antara dosis neutron, konduktivitas, dan kandungan dopan yang dihasilkan dalam NLC

Selama iradiasi, ingot diputar dan dipindahkan ke atas dan ke bawah untuk diterangi secara seragam dengan neutron. Selain itu, beberapa reaktor kuat menggunakan absorber profiling yang terbuat dari kadmium atau boron, yang juga menghilangkan ketidakteraturan aksial dari fluks neutron.
Namun, saat ini ada metode non-nuklir silikon doping, yang memungkinkan untuk mendapatkan kualitas hampir nuklir, dan mereka menggantikan YaLK dari wilayah 600-1600 volt, di mana sebelumnya hanya silikon nuklir juga digunakan. Namun, tegangan di atas masih belum tunduk pada metode kimia, dan dalam kerangka kecenderungan umum untuk meningkatkan daya spesifik, tegangan daya elektronik terus meningkat, sehingga ada tempat untuk silikon NLC.


Teknologi berbeda untuk memproduksi silikon wafer yang didoping (CZ, CZ-EPI, FZ-PFZ dan nuklir FZ-NTD) difokuskan pada ceruk yang berbeda, termasuk tegangan, gambar dari produsen terkemuka silikon Topsil

Selain itu, analis memperkirakan peningkatan konsumsi YaLK, terkait dengan peningkatan jumlah kendaraan listrik dengan baterai tegangan tinggi (dengan tegangan baterai 800 volt, kunci dengan tegangan operasi 1600 dan volt lebih tinggi sudah digunakan, berdasarkan silikon YaL). Beberapa perkiraan mengindikasikan pertumbuhan pasar dari 150 hingga 500 ton dan naik dalam dekade berikutnya. Oleh karena itu, banyak reaktor baru yang sedang dibangun, bahkan pada tahap desain, meletakkan saluran untuk memproduksi silikon yang didoping nuklir, berharap dengan cara ini untuk mengurangi biaya reaktor untuk pembayar pajak. Misalnya, saluran tersebut akan berada di MBIR dan JHR .


Namun, sementara inverter Tesla Model S mengendalikan mesin 300-kilowatt menggabungkan 84 IGBT transistor dengan tegangan operasi 600 volt, kemungkinan besar tidak terkait dengan silikon yang didoping nuklir. Namun, ini masih jauh dari solusi paling canggih untuk hari ini.

Jadi "masa depan listrik hijau" umat manusia terkait erat dengan teknologi nuklir, reaktor nuklir dan warisan non-ekologis lainnya yang sangat kuat pada abad ke-20.

Source: https://habr.com/ru/post/id388867/