Energia verde e silício nuclear

Penso que poucas pessoas sabem que hoje toda a energia renovável depende do trabalho de pesquisa de reatores nucleares. Estamos falando do silício dopado nuclear (NLC) obtido nele, que é usado para produzir semicondutores de alta tensão, sem os quais a energia renovável é impossível. E agora com mais detalhes.


Retificadores de 12 pulsos (pendurados à esquerda) de linhas de alta voltagem também são importantes consumidores de silício dopado nuclear.


Se olharmos para o diagrama elétrico de qualquer estação de energia solar ou eólica, veremos definitivamente o equipamento inversor - máquinas elétricas que convertem uma corrente direta em outra e em corrente alternada da rede. Eles são necessários para organizar dinamicamente o fluxo de eletricidade dentro de um SES ou de uma turbina eólica e para atracar na rede elétrica global no modo correto.


Essas caixas discretas transformam megawatts de corrente contínua com uma tensão de várias centenas de volts em 50 hertz 10-35 kilovolt.


E dentro desses conjuntos-chave estão funcionando - por exemplo, uma ponte H monofásica de 6 megawatts, possui 8 tiristores IGCT, descritos a seguir.

Os inversores, por sua vez, são conjuntos de filtros passivos, indutores e transformadores em funcionamento e, o mais importante - interruptores elétricos potentes. Hoje, dois tipos de comutadores semicondutores funcionam em inversores de energia - transistores IGBT e tiristores IGCT (a propósito, as letras I nesses dispositivos significam muito diferentes :))


tiristor IGCT (tablet à esquerda) e seu circuito de controle (à direita). O tiristor é feito de uma pastilha redonda de silício


e um módulo IGBT aberto com uma potência um pouco menor. Não há necessidade de controle de obturador de alta corrente, e a própria chave é composta por muitos pequenos cristais

Atualmente, os comutadores de semicondutores relativamente pequenos têm tensões operacionais máximas de até 7000 volts com uma corrente operacional de até 5000 A, ou seja, um dispositivo do tamanho de um pires de chá é capaz de trocar 35 megawatts. Juntamente com a mais alta eficiência na região de 99% e uma frequência de comutação relativamente alta, essas teclas determinaram amplamente o mundo da eletrônica de potência moderna. Hoje, além das linhas de energia renovável e de corrente contínua de ultra-alta tensão, o principal consumidor desses produtos são acionamentos (motores elétricos) com alta eficiência e operação flexível - por exemplo, acionamentos de locomotivas elétricas, veículos elétricos Tesla ou máquinas-ferramentas poderosas.


O tiristor no estojo (o chamado pacote de prensas) e a própria placa de silício, que alterna a corrente.

Assim, todos os interruptores semicondutores com tensões operacionais acima de 1600 volts são feitos de silício, que foi irradiado em um reator nuclear - silício dopado nuclear. Atualmente, cerca de 150 toneladas desse silício por ano são produzidas em duas dúzias de usinas de irradiação, geralmente baseadas em reatores de pesquisa. Os fabricantes estão espalhados por todo o mundo, e o volume desse mercado é de aproximadamente US $ 150 milhões por ano, e este é um dos maiores mercados mundiais de produtos isotópicos. Incluindo vários reatores de pesquisa russos (Tomsk Polytechnic, NIFHI, Mayak, NIIAR) fornecem cerca de 10% dos suprimentos globais. Normalmente, as organizações que possuem os reatores trabalham em conjunto com fornecedores de silício, que preparam a matéria-prima e garantem o corte dos lingotes em placas e na comercialização.


Lingote após irradiação e recozimento.

O silício dopado nuclear (ou silício dopado por transmutação de nêutrons) é um silício ultra-puro no qual, pela radiação de nêutrons de um reator, parte dos átomos do isótopo 30Si são transmutados em átomos de fósforo 31P, criando condutividade de impureza do tipo n. Tradicionalmente, esse doping é criado pela mistura de uma quantidade muito pequena de fósforo no derretimento do silício, mas o problema é que a concentração local do dopante pode diferir em dezenas de por cento do valor médio. Nos comutadores de alta tensão, essa propagação leva ao aparecimento de "pontos quentes", onde muito mais corrente começa a fluir do que a média e o transistor ou tiristor é rompido. A liga pela irradiação de nêutrons permite o uso de alguns truques para obter uniformidade melhor que um desvio de 5% em relação ao valor médio - às vezes até melhor que 3%.


E esses são os dispositivos de irradiação da empresa dinamarquesa Topsil, que foi a primeira a iniciar a produção comercial da YALK no final dos anos 70.

Para isso, um lingote de silício puro de cristal único é colocado em um reator nuclear, possivelmente protegido da radiação gama e dos nêutrons rápidos, que estragam a estrutura do cristal. Para o valor padrão do fluxo de nêutrons nos reatores de pesquisa (de 10 ¹² a 10 ¹⁴ nêutrons por cm ² por segundo), leva de algumas horas a um dia de irradiação para obter uma determinada condutividade de um cristal de silício. Nesse caso, o doping ocorre de acordo com a reação ³⁰ Si + n -> ³¹ Si -> ³¹P (meia-vida de 2,6 horas) e o silício obtido deve ser mantido por alguns dias para que sua radioatividade caia para níveis seguros.


A relação entre a dose de nêutrons, a condutividade e o conteúdo de dopante resultante no NLC.

Durante a irradiação, o lingote é girado e movido para cima e para baixo para se iluminar uniformemente com nêutrons. Além disso, alguns reatores potentes usam um absorvedor de perfis feito de cádmio ou boro, o que reduz a irregularidade axial do fluxo de nêutrons.
No entanto, hoje existem métodos não nucleares de dopagem de silício, que possibilitam obter quase qualidade nuclear, e deslocam o YaLK da região de 600-1600 volts, onde anteriormente apenas o silício nuclear também era usado. No entanto, as tensões acima ainda não estão sujeitas a métodos químicos, e dentro da estrutura da tendência geral de aumentar a potência específica, as tensões dos eletrônicos de potência estão subindo constantemente, de modo que há um lugar para o NLC de silício.


Diferentes tecnologias para a produção de bolachas de silício dopadas (CZ, CZ-EPI, FZ-PFZ e FZ-NTD nuclear) estão focadas em diferentes nichos, incluindo imagem de um dos principais fabricantes de silício Topsil

Além disso, os analistas prevêem um aumento no consumo de YaLK, associado a um aumento no número de veículos elétricos com bateria de alta voltagem (com uma voltagem de 800 volts, chaves com voltagem operacional de 1600 e mais volts já são utilizadas, com base no silício YaL). Algumas estimativas indicam um crescimento de 150 a 500 toneladas no mercado na próxima década. Portanto, muitos novos reatores em construção, mesmo na fase de projeto, estabelecem canais para a produção de silício dopado nuclear, esperando assim reduzir o custo do reator para os contribuintes. Por exemplo, esses canais estarão em MBIR e JHR .


No entanto, enquanto o inversor Tesla Modelo S que controla um motor de 300 quilowatts incorpora 84 transistores IGBT com uma voltagem operacional de 600 volts, provavelmente não relacionada ao silício nuclear. No entanto, isso está longe de ser a solução mais avançada para hoje.

Portanto, o "futuro elétrico verde" da humanidade está indissociavelmente ligado à tecnologia nuclear, aos reatores nucleares e a outra herança terrivelmente não ecológica do século XX.

Source: https://habr.com/ru/post/pt388867/