Инженер-электронщик
0,2
рейтинг
8 января в 00:06

Зеленая энергетика и ядерный кремний

Думаю, мало кто в курсе, что вся возобновляемая энергетика сегодня зависит от работы исследовательских ядерных реакторов. Речь идет о получаемом в нем ядерно-легированном кремнии (ЯЛК), который используется для производства высоковольтных силовых полупроводников, без которых ВИЭ невозможны. А теперь подробнее.

image
12-пульсные выпрямители (висят слева) ультравысоковольтных линий электропередачи тоже являются важными потребителями ядерного-легированного кремния.


Если мы взглянем на электрическую схему любой солнечной или ветровой электростанции, то обязательно увидим там инверторное оборудование — электрические машины, преобразующие один постоянный ток в другой и в сетевой переменный. Они нужны для динамической организации потоков электроэнергии внутри СЭС или ветряка и стыковки с глобальной электросетью в правильном режиме.

image
Такие невзрачные ящики превращают мегаватты постоянного тока напряжением в несколько сотен вольт в 50 герц 10-35 киловольтного.

image
А внутри них трудятся вот такие ключевые сборки — это например однофазный H-мост мощностью 6 мегаватт, в нем стоит 8 IGCT тиристоров, о которых ниже.

Инверторы в свою очередь представляют собой наборы пассивных фильтров, рабочих индуктивностей и трансформаторов и главное — мощных электрических ключей. В энергетических инверторах сегодня трудятся два типа полупроводниковых ключей — IGBT транзисторы и IGСT тиристоры (кстати буквы I в этих приборах означают совсем разное :))

image
IGCT тиристор (таблетка слева) и управляющая им схема (справа). Тиристор изготавливается из круглой кремниевой пластинки

image
И вскрытый IGBT модуль чуть меньшей мощности. Здесь нет необходимости в сильноточном управлении затвором, а сам ключ набран из множества мелких кристаллов

Относительно небольшие полупроводниковые ключи сегодня имеют максимальные рабочие напряжения до 7000 вольт при рабочем токе до 5000 А, т.е. устройство размером с чайное блюдце способно коммутировать 35 мегаватт. Наряду с высочайшим кпд в районе 99% и относительно высокой частотой коммутации такие ключи во многом определили мир современной силовой электроники. Сегодня кроме возобновляемой энергетики и линий электропередач постоянного тока ультравысокого напряжения, основным потребителем такой продукции являются силовые приводы (электродвигатели) с высоким кпд и гибкой работой — например приводы электровозов, электромобилей Тесла или мощных станков.

image
Тиристор в корпусе (т.н. пресс-паке) и собственно кремниевая пластина, которая коммутирует ток.

Так вот, все полупроводниковые ключи с рабочими напряжениями выше 1600 вольт изготавливаются из кремния, который был облучен в ядерном реакторе — ядерно-легированном кремнии. В настоящее время порядка 150 тонн такого кремния в год получают в двух десятках облучательных установках, обычно на базе исследовательских реакторов. Производители разбросаны по всему миру, а объем этого рынка — примерно 150 миллионов долларов в год, и это один из самых больших мировых рынков изотопной продукции. В т.ч. несколько российских исследовательских реакторов (Томский политех, НИФХИ, Маяк, НИИАР) обеспечивают порядка 10% мировых поставок. Обычно организации, владеющие реакторами работают в связке с поставщиками кремния, которые подготавливают исходный материал, и обеспечивают разделку слитков на пластины и сбыт.

image
Слиток после облучения и отжига.

Ядерно-легированный кремний (или Neutron transmutation doped silicon) представляет собой ультра-чистый кремний, в котором нейтронным излучением реактора часть атомов изотопа 30Si трансмутировалась в атомы фосфора 31P, создав примесную проводимость n-типа. Традиционно такое легирование создается путем подмешивания очень небольшого количества фосфора в расплав кремния, но проблема в том, что при этом локальная концетрация допанта может отличатся на десятки процентов от среднего значения. В высоковольтных ключах такой разброс приводит к появлению «горячих пятен», где начинает течь гораздо больше тока, чем в среднем и транзистор или тиристор пробивает. Легирование путем нейтронного облучения позволяет путем некоторых ухищрений добиться равномерности лучше 5% отклонения от среднего значения — иногда и лучше 3%.

image
А это облучательные устройства датской фирмы Topsil, которая первой занялась коммерческим производством ЯЛК в конце 70х.

Для этого слиток чистого монокристаллического кремния помещают в ядерный реактор, по возможности заэкранировав от гамма-излучения и быстрых нейтронов, которые портят структуру кристалла. Для стандартного значения нейтронного потока в исследовательских реакторах (от 1012 до 1014 нейтрон на см2 в секунду) требуется от пары часов до суток облучения что бы получить заданную проводимость кристалла кремния. При этом легирование происходит по реакции 30Si + n ->31Si ->31P (период полураспада 2.6 часа), и полученный кремний необходимо выдержать пару суток, что бы его радиоактивность упала до безопасных уровней.

image
Связь между нейтронной дозой, проводимостью и получающимся содержанием допанта в ЯЛК

Во время облучения слиток вращают и перемещают вверх-вниз для равномерной засветки нейтронами. Кроме того на некоторых мощных реакторах применяется профилирующий поглотитель из кадмия или бора, который дополнительно выравнивает осевую неравномерность потока нейтронов.
Впрочем, сегодня существуют неядерные методы легирования кремния, которые позволяют получить почти ядерное качество, и они вытесняют ЯЛК из области 600-1600 вольт, где раньше так же применялся только ядерный кремний. Однако напряжения выше все равно не подвластны химическим методам, а в рамках общего тренда повышения удельной мощности напряжения силовой электроники постоянно ползут вверх, так что место для ЯЛК кремния есть.

image
Разные технологии получения легированных кремниевых пластин (CZ, CZ-EPI, FZ-PFZ и ядерный FZ-NTD) ориентированы на разные ниши, в т.ч. по напряжению, картинка от ведущего производителя кремния Topsil

Более того, аналитики прогнозируют рост потребления ЯЛК, связанным с ростом количества электромобилей с высоковольтной батареей (при напряжении батареи 800 вольт уже используются ключи с рабочим напряжением 1600 и выше вольт, на базе ЯЛ кремния). Некоторые оценки говорят о росте рынка с 150 до 500 тонн и выше в следующем десятилетии. Поэтому во многие вновь строящиеся реакторы еще на этапе проектирования закладывают каналы для получения ядерно-легированного кремния, надеясь таким образом снизить стоимость реактора для налогоплательщиков. Например такие каналы будут в МБИР и JHR.

image
Впрочем пока инвертор Tesla Model S управляющий 300-киловаттным двигателем имеет в своем составе 84 IGBT транзистора с рабочим напряжением 600 вольт, скорее всего не имеющих отношения к ядерно-легированному кремнию. Однако это далеко не самое передовое решение на сегодня.

Так что «зеленое электрическое будущее» человечества неразрывно связано с ядерными технологиями, ядерными реакторами и прочими ужасно неэкологичным наследием 20-го века.
Валентин @tnenergy
карма
122,0
рейтинг 0,2
Инженер-электронщик
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (35)

  • +14
    Спасибо. Просто откровение — я думал, что только химией присадки делают.
    • +1
      Еще ионной имплантацией.
  • +1
    Как я понял, ключи из ядерного кремния используются для коммутации больших мощностей на солнечных электростанциях. Интересно было бы услышать, какие ужасные технологии используются для изготовления солнечных панелей?
    • +3
      В солнечных панелях используется и тестируется несколько десятков полупроводниковых материалов, от чистого кремния до сложных A3B5 и даже органических полупроводников. Вот, если кратко:
      image
      • 0
        В первую очередь мой вопрос касается широко распространённых кремниевых кристаллических и поликристаллических фотоэлементов. Используется ли облучение кремния при изготовлении фотоэлементов? (Например, для повышения КПД)
        • +1
          Там это бессмысленно, потому что все равно на одной пластине надо иметь два типа проводимости, и если ионная имплантация все равно потребуется, можно все сделать ей.
    • 0
      Если речь о монокремнии то там много химии в отходах пока из кремния сделают монокремний
      А так ничего особенного кроме технологий
      1 Восстановили кремний, получили металлический
      2 Вырастили кристалл монокремния
      3 Вырезали из кристалла параллелепипеды
      4 Распилили параллелепипеды на пластины

      Выращивают кристалл в печи часов за десять размером с гигантскую соплю длиной около метра и диаметром 200-300мм
      Пилят на пластины специальной проволочной пилой, ряд натянутых струн со стороны выглядит как матовое стекло — настолько тонкие и много
  • 0
    1) «допированную проводимость», «допирование» — это по-русски называется «легирование», а изменившаяся после легирования проводимость не имеет специального названия в русском языке. Пожалуйста, не надо коверкать русский язык такими вот неологизмами.

    2) «ядерными технологиями, ядерными реакторами и прочими ужасно неэкологичным наследием 20-го века» — раз уж вы пишете про ядерную энергетику, то вам не пристало косвенно подтверждать неверные слухи, а стоило бы, наоборот, внятно расписать, почему на самом деле ядерная энергетика — один из лидеров и по экологичности, и по безопасности.
    • +6
      >Пожалуйста, не надо коверкать русский язык такими вот неологизмами.

      Хорошо, в будущем постараюсь этого не делать.

      >вам не пристало косвенно подтверждать неверные слухи, а стоило бы, наоборот

      А вот здесь я сам разберусь, как писать. Я не являюсь штатным пропагандистом, и эти приемчики, типа «не дай бог история 20-го века перенесется на современное состояние ядерной индустрии, давайте не будем про плохое» мне чужды.
      • +6
        > ядерными технологиями, ядерными реакторами и прочими ужасно неэкологичным наследием 20-го века
        Как по мне, то это отлично сформулировано с юмором. Точно так же как и сама фраза «зеленая энергетика», которая ничуть ни зеленее атомной. Сарказм не всегда нуждается в тэгах.
        Радиация это такой пар с градирни


      • +5
        А я и не предполагаю, что вы штатный пропагандист, которому нельзя писать про плохое. Писать про плохое можно и даже нужно, чтобы делать из него выводы и не повторять ошибок. Как писать — решать, безусловно, вам, но всегда нужно иметь в виду, что в таких специфических темах аудитория не образованная и очень зашоренная разнообразными стереотипами. Ей бы провести внятный ликбез было очень хорошо, а вы потворствуете стереотипам. Впрочем, вы — автор, и вам решать.

        P.S. Совсем забыл сразу сказать — статья прекрасная, продолжайте в том же духе.
    • +2
      Я полагаю, что 2) у автора это сарказм.
      • +5
        Да, разумеется это был сарказм.
    • +6
      >изменившаяся после легирования проводимость не имеет специального названия в русском языке

      Это называется «примесная проводимость».
    • 0
      Пожалуйста, не надо коверкать русский язык такими вот неологизмами.


      Консерватизм в терминологии — штука, конечно, хорошая, если в меру. Однако язык только так и развивается, через «коверканье» — заимствования, бастардизацию и проч. Мне вот сразу интуитивно понятно, что такое допирование, хотя я к электронике имею отношение очень косвенное. Легирование — как-то больше со сталью ассоциируется. Легирование — более общее понятие, а допирование — для получениея полупроводников.
      • 0
        Если вы не имеете отношения к микроэлектронике, то может быть у вас легирование и со статью ассоциируется в первую очередь. Тем не менее, кремний в русски другие полупроводники с примесной проводимостью в русской терминологии легируют, а не «допируют» примесями уже шесть с лишним десятков лет, и тут как раз неологизмы неуместны, потому что есть нормальное устоявшееся слово, которое много лет используется.
        • 0
          А что плохого в новом термине? Если он окажется удобным — приживётся, если нет — сам отвалится. Я выше привёл один довод, почему термин может быть удобен — для употребления в области полупроводниковой электроники. Может ещё в свехпроводимости и других областях, где целью является изменение электрических свойств материала. Новое слово, сужающее смысл, позволяет экономить на контексте, повышает скорость и точностькоммуникации. Ну и переводчикам работать чуть проще. Недостатки тоже есть, но язык — он такой, он сам разберётся, надо оно ему или нет. Если вам слово не нравится — не употребляйте его сами, скажите, что вам оно непонятно, но не надо требовать его не использовать только потому, что оно новое.
          • +1
            Я рассуждаю, исходя из бритвы Оккама. Все электронщики много лет пользуются словом «легирование», оно однозначно и всем понятно — так зачем искать что-то другое? Более того, легирование кремния имеет те же смысл и суть, что легирование стали, что делает вдвойне странным поиск другого слова для этого процесса. Вы же не предлагаете называть переднеприводные автомобили словом «передмобиль», чтобы отличать их от задне-и полноприводных, вы говорите «переднеприводный автомобиль». Точно так же, если вам зачем-то нужно различать легирование кремния и легирование стали, можно так и сказать: «легирование кремния» и «легирование стали».
  • +2
    Статья супер, побольше бы таких!
    • +1
      Это точно, хорошо когда у людей отпуск и у них есть время писать интересные вещи
  • 0
    Промахнулся комментарием.
  • 0
    А есть ли какие-то ограничения на энергию нейтронов в этой схеме легирования? Можно ли использовать нейтроны от других источников? Например, от ускорительных, работающих по схеме с реакцией развала?
    • +2
      >А есть ли какие-то ограничения на энергию нейтронов в этой схеме легирования?

      Легирование ведется тепловыми нейтронами, при росте энергии нейтрона сечение захвата 30Si монотонно падает примерно как корень из энергии. Жесткий хвост спектра повреждает кристалл, его стараются по возможности уменьшить. Но большая толщина замедлителя снижает общий поток (=производительность) и увеличивает неравномерность.

      Подробнее можно прочитать в отличной диссертации на эту тему.

      >Можно ли использовать нейтроны от других источников? Например, от ускорительных, работающих по схеме с реакцией развала?

      Теоретически можно, но экономически это абсурд. Средний нейтронный поток тепловых нейтронов от таких установок на несколько порядков ниже, а расходы на эксплуатацию гораздо выше.
  • +6
    IGCT тиристор (таблетка слева) и управляющая им схема (справа). Тиристор изготавливается из круглой кремниевой пластинки

    Это немного оффтоп. С этой штукой была классная история. Ее делает АВВ, она запатентованная и в принципе достаточно продвинутая. У нас в университете была одна работа на PhD по ее улучшению для АВВ. Получилось очень даже неплохо, дешевле в производсте и эффективнее, но АВВ сказали «спасибо, у нас еще патент на 10 лет действует, мы как-то потом улучшение внедрять будем».
    • 0
      Вот в этом вся копирастия, что то похожее было когда пытались вместо АМ, FM внедрить.
      • 0
        Тут компания, которой сделали улучшение, сказала, что нет, нас устраивает и старое. Дело ж то хозяйское. Как по мне, конкуренты не спят, но скорее всего был еще и экономический расчет за отказом. Если выгоды не будет, зачем бежать впереди паровоза?

        И да, копирайт и патентное законодательство все же разные вещи, так что называть их копирастами несколько некорректно, они немало вложились в это устройство, здесь ведь не как в творчестве, субъективная оценка, а вполне объективно лучшее на рынке.
    • 0
      Продайте китайцам.
      • 0
        Работа выполнялась на заказ АВВ за ее деньги. И это была модернизация, не разработка с нуля, т.е. основывалось на патентах АВВ. Она, насколько я помню по рассказам, и так очень хорошо скомпонована и по своим характеристикам превосходит конкурентов.
  • 0
    В энергетических инверторах сегодня трудятся два типа полупроводниковых ключей — IGBT транзисторы и IGСT тиристоры (кстати буквы I в этих приборах означают совсем разное :))

    Ну раз уж сказали «А», говорите и «Б», расшифруйте аббревиатуру или ссылку дайте. Нет, меня в гугле не забанили, но если уж вы решили популяризовывать, то популяризуйте популярнее :)
    IGСT Integrated Gate Commutated Thyristor
    IGBT Insulated-gate Bipolar Transistor
  • +2
    Ну далеко не все знали что ключи большой мощности пока невозможно изготовить без атомного реактора. Я тоже не знал.
    Ну ладно, такие вещи не у каждого дома имеются.

    А вот знаете ли вы что обыкновенные полиэтиленовые пакетики в которые вы продукты покупаете тоже производятся не без участия ядерных реакторов?!
    Запустить полимеризацию этилена наверное можно и другими способами,
    но самым чистым и эффективным является радиация.
    Не волнуйтесь, получаемый полиэтилен абсолютно безопасен и не содержит ни чего кроме водорода и углерода.

    Так что на самом деле ядерные технологии значительно ближе к вашей повседневной жизни чем вы думаете.
    И кстати, если таки развивать реакторы на быстрых нейтронах(РБН) то можно будет в сотни раз уменьшить образование отходов, а топлива для РБН полным полно и оно в тысячи раз дешевле и безопасней, потому что не требует обогащения.

    Вообще то вся альтернативная энергетика не имеет шансов избавиться от своей альтернативности, а следовательно основные источники энергии все равно развивать придется.
    • 0
      А этилен точно реакторами полимеризуют, не чем-нибудь попроще? )
      • 0
        Ну не реакторами, а капсулой с радиоактивными изотопами.
        Можно конечно и по другому, например добавив кислород или еще что либо что запустит реакцию. Но продукт будет не чистым и то что добавили неизбежно окажется в конечном продукте.
        Если же активация выполняется радиацией, то в конечный продукт ни чего постороннего не попадает.
        К сожалению далеко не все производители могут купить источник излучения, поэтому по прежнему много полиэтилена производят по старинке но качество у него оставляет желать лучшего… впрочем для пакетиков годится.
        • 0
          Я к тому, что «ядерный реактор» — это не то же самое, что «капсула с радиоактивным изотопом». Второе существенно проще и дешевле. А вот для силовых ключей нужен именно что реактор.
          • 0
            А я к тому что ядерные реакторы необходимы в очень многих сферах деятельности человека и все эти «зеленые технологии» тоже без ядерной энергетики не обходятся.
            Так что от мирного атома все равно ни куда не деться,
            ядерную энергетику необходимо развивать.

            А протестующие «зеленые» просто идиоты которые не понимают что по другому не получится.
            Но некоторые страны все таки полностью отказались от своей ядерной промышленности.
            К примеру Германия закрыла все свои атомные станции, деньги всунула в ветряки и солнечные панели, и… ну пока соседняя Франция снабжает их энергией то Германия как то живет, но очевидно что наблюдается регресс.
            • 0
              К примеру Германия закрыла все свои атомные станции,

              Вы уж простите, а как оно там, в 2020 году? Или вы позже пишите?
              деньги всунула в ветряки и солнечные панели

              А еще газотурбинные ТЭС для компенсации быстрых колебаний и просто ТЭС для медленных изменений.
              Немцы, в отличие от остальных стран, полностью выключили и разобрали один из своих реакторов. Стоило это 5 млрд. Евро еще и работа с радиоактивными материалами.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.