כיצד לעצב מערכות אלקטרוניות לסביבה גבוהה של כוח גרעיני

אתגר הסביבה הגרעינית

תכנון מערכות אלקטרוניות שחייבות לפעול בתוך או ליד הליבה של תחנת כוח גרעינית מציג את אחד האתגרים המהנדסים התובעניים ביותר בתעשיות החשמליות והגרעין.שילוב של מעצבי הגמאהמה העזה וקרינת נויטרונים, טמפרטורות גבוהות, לחץ קיצוניות, ואת הצורך באמינות מוחלטת על פני עשרות שנים של סביבות הפעלה רציפה, כלומר, מערכות בקרה מסחריות- off-the-she-f (COTS) אלקטרוניקה הן לעתים רחוקות מתאימות לכשל יחיד בקריטריונים קריטיים, כגון בקרה גרעינית, כגון בקרה, שיטות בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה אגרסיביות, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, לחץ גרעיניים, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה אינטנסיביים, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה אינטנסיביים, כגון פיקוח אינטנסיביים, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה אגרסיביים, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה, אמצעי בקרה אגרסיביים, אמצעי

הבנת השפעות קרינה על אלקטרוניקה

הצעד הראשון בעיצוב סובלנות לקרינה הוא הבנה מעמיקה של האופן שבו סוגי קרינה שונים אינטראקציה עם חומרים מוליכים למחצה ועיגול להתנצלות. קרינה בסביבה צמחית גרעינית מורכבת בעיקר מקרני גמאמה, נויטרונים, ועד לרמה פחותה, חלקיקים בטא וחלקיקי אלפא.כל גורם נזק ייחודי שניתן לחלק לשלוש קטגוריות עיקריות: השפעות חד-פעמיות (SEEs), מינון כולל של זיהומים, בנוסף להשפעות של חנק (אפקטים מיוחדים).

השפעות חד-פעמיות (SEEs)

SEEs להתרחש כאשר חלקיק אנרגטי יחיד - כגון נויטרונים או gamma ray - פוגע צומת רגיש במכשיר מוליכים למחצה, יצירת דופק קבוע.אם הדופק הזה גדול מספיק, זה יכול להפוך את מצב של תא זיכרון (Single-event פגום, SEU), לגרום transient in a Logic (s- אפילוle-tient, Transtient) או חיתוך לייזר (כולל) של תאי זיכרון אוטומטיים (SD) או זיכרון מזיקים (SDird)

השפעות של Dose (TID)

עם הזמן, חשיפה מצטברת לקרינת קרינת קרינת (בעיקר קרני גמא) בונה מטענים לכודים בפחמי השער ומדמוצת שדה של transistors. זה מזיזות מטען לכודות, מגביר את זרמי הדלפות, ומפחיתים את המוליכים, בסופו של דבר גורם במניעת קרינת BR (Si) או אפור.

נזקי הפחתת

נזקי החלפה מתרחשים בעיקר ממולוני אנרגיה גבוהה (ובמידה פחותה, ממכשירים פרוטונים וגמא באמצעות תגובות דו-און) כאשר התנגשויות נויטרונים עם אטום בליטקטיס חצי-מוליכים למחצה, זה מסיט את המינון כי אטום, יצירת משככי כאבים (מומים של דלקת מפרקים) או ירידה משמעותית בשימוש במינוי) כגון עקיצות דם (Dicialdowdial) (Frenkel Distradial) ; פגמים אלה פועלים כמו עקירה, כגון מרכזי עקירת שומן רגיל).

השפעות ננוכות: מבט קרוב יותר

בכורות גרעיניים, ה-Nutron flux הוא אינטנסיבי במיוחד מכסה ספקטרום אנרגיה רחב (רמל עד מהיר) Neutrons לא ישירות ionize אבל אינטראקציה באמצעות פיזור אלסטי ואלסטי, לייצר אטומים רזרבה ניסיוניים שגורמים ion ו עקירעת.2, ולכן ניתן לתפוס את רכיבי ה-NVolreronicatives (בדרך כלל בשימוש ב-buomicretstration) כדי להעשירים (Ricial to Passing) של חומרים).

אסטרטגיות עיצוב לקרינת סובלנות

מעצבים עם ידע של השפעות קרינה, אנו פונים כעת לאסטרטגיות הליבה עיצוב המאפשרות מערכות אלקטרוניות לשרוד ולתפקוד בסביבות עתירה גבוהה.אסטרטגיות אלה אינן בלעדיות הדדית; עיצוב מוצלח משלב בדרך כלל מספר גישות.

קרינת קרינה - The Harded Components

הגישה הפשוטה ביותר היא להשתמש במרכיבים המיוצרים במיוחד או מוסמכים לסביבות קרינה.חלקים ספציפיים (רד-רד) זמינים ממצאות מיוחדות כגון Honeywell Aerospace, רנסס, וקובהאם (כיום חלק מ- BAE Systems) אלה משתמשים בתהליכים קשים (למשל, SOrad Gate CMs, מכשירים דו קוטביים קשים) ולעתים קרובות מכילים רמות גבוהות יותר של CVD (R) עם פחות סובלניות) עם רמות נמוכות יותר מ-R.

רדיפת וסבלנות

פלטפורמות בקרת מערכות הן אבן הפינה של בטיחות גרעינית.הנציבות האמריקאית לרישום גרעיני (NRC) וסוכנות האנרגיה האטומית הבינלאומית (IAEA) דורשות מערכות בטיחות מגוונות ומפוכחות, לעתים קרובות כדי לזהות רמות של N+2. בעיצוב אלקטרוניקה, זה מתורגם כדי לתקן שגיאות או לזרז תפקודים קריטיים.

טכניקת מגן

הגנה גופנית מפחיתה את חומר הקרינה המגיע לרכיבים רגישים.הבחירה של חומר מגן תלויה בסוג הקרינה: עבור קרני גמא, חומרים גבוהים Z כגון להוביל, tungsten, או depleted אורניום יעיל, אבל הם כבדים וכבדים.עבור פערים דקים, חומרים דלים כגון מים, פוליאתן, או תרכובות מוצצים הם מועדפים כי הם מורכבים ומייצרים ללא מצעים משניים (xotra) הם לעתים קרובות לספוגים חומר דבקים.

זיהוי שגיאות ותיקון (EDAC)

מעבר לחידוש, זיהוי שגיאות פעיל ומנגנוני תיקון הם חיוניים.עבור מערכות דיגיטליות, זה כולל CRC (בדיקת צ'יקל Redundancy Redundancy) על קישורי תקשורת לזהות פיסות bitity עבור קבצים רשומים, ו- ECC עבור SRAM ו- DRAM. במעגלים אנלוגיים, טכניקות כמו פיצוי קרינה דינמי (תיקון זרמי ההטיה המבוססים על מינון מעקב) יכול להאריך את החיים התפעוליים, עבור חיישנים, חיישנים אדומים, כולל חיישנים חזקים, כולל חיישנים שאינם יכולים גם בדיקות זמן).

בחירה חומרית ומכוונת

בחירת החומרים הנכונים ורכיבים הולכת יד ביד עם אסטרטגיות עיצוב.הבחירות שנעשו בתחילת הפרויקט משפיעות רבות על סובלנות הקרינה והאמינות של המערכת הסופית.

Semiconductor Technologies

לדוגמה, טכנולוגיות הסיליקון (SOI) הן הזרם המרכזי הנוכחי של rad-Hard-Hard-Hard-Hard-Hard-Hard-Hard-Hard-Hard-ditic Logic. על ידי הצבת שכבת סיליקון דקת מעל תחמוצת קבורה, מבנים דו קוטביים רגישים של CMOS מרובים זמינים, להפחית את רגישות SEU ושיפור TID סובלנות (anaCide) הם לעתים קרובות יותר ויותר רגישים יותר ויותר (דלקתיים) ל-Ricives) הם רגישים יותר ויותר (מפרקים) כגון c-R) cFide cvcenticives) הם רגישים יותר ויותר (מפרקטיקאים) ל-R.

אינסטלטורים, דיאלקטריק ופסיביציה

החומרים הדיאלקטריים המשמשים בלוחות (FR-4, פולימיד, קרמיקה) וניתן לגוון את הרכיב תחת קרינה. Polyimide ו-PTFE (Teflon) ידועים בהתנגדות קרינה, בעוד ש-epoxy-4 רגיל עשוי לחוות דליפה מוגברת והשפלה במינונים גבוהים.עבור מחברים וכבלים, להשתמש בפולימרים ET או cross-linked פולית's עשוי לחוות מתח דליפה גבוה יותר מאשר חומרים דמוייטיסטיים (כגון phoicial) כגון pGropiciald) או חומרים המכילים phos סטנדרטיים (בסולניים (בסולניים) או חומרים המכילים NP-p) או חומרים המכילים NPdolfretrad) או חומרים המכילים קרמיקה (ב-cocto-cogicial) או חומרים המכילים NPd) או חלבון נמוך יותר מאשר חומרים NPd) או חומרים המכילים קרמיקה (ברמה גבוהה.

אריזה ואסיפה

חבילות הרמטיות (ceramic או מתכת) מועדות על חבילות ממותגות מפלסטיק עבור יישומים קריטיים כי הם מונעים לחות ingress והם חזקים יותר כדי לצאת גזים ואפקטים רדיויים.כאשר חבילות פלסטיק הן בלתי נמנעות (למשל, עבור רכיבי COTS), להבטיח כי עובש נבדק עבור יציבות קרינה וכי הנספח למות אינו מעומס כסף (למשל, יכול לספק סיליקון מגנטי פחות) או ציפוי יעיל יותר מפני חומרים מגנטיים).

בדיקות ואימות

אין תכנון שלם ללא אימות קפדני בתנאי קרינה ייצוגיים.בדיקה חיונית כדי לאמת כי אסטרטגיות נבחרות לעבוד ולחשוף מצבי כישלונות בלתי צפויים.

שיטות בדיקת קרינה

שלושה סוגים עיקריים של בדיקות קרינה משמשים: מקורות Co-60 gamma עבור בדיקות TID, גנרטורים נויטרונים או קרינת כור (התריעה) עבור נזק לעקירה, וכבדות או מאיץ חומרים עבור SEE, התקנים כגון בדיקת מינון כפול (FLT: 0EE 293-2022FLT:1 (סטנדרט עבור כוח גרעיני I & C: ציוד) ו-FEE2D) לעתים קרובות בדיקה סטנדרטית (ממדנית).

בדיקה אחרונה ב-16 ביולי 2008. ^ Reliability Estimation

מעבר לסובלנות קרינה בסיסית, יש לבחון את אמינותה ארוכת טווח.התאמת בדיקות חיים כרוכה בחשיפת כל ההרכבה (לוח, מחברים, אספקת חשמל) בשילוב תנאי מתח: טמפרטורה, לחות, קרינה ומחזורי חשמל.לדוגמה, מערכת המיועדת ל-40 שנים בתוך מכילות עשויה להיות מוסמכת על ידי הפעלת מבחן של 2,000 שעות ב 2× 3× קצב החיים של גמישות כמו כישלונות (FIT) ו- 0.

תקני הסמכה ותקנות תגמול

במדינות רבות, ציוד כוח גרעיני חייב לעמוד בדרישות רגולטוריות כגון NRC Regulatory Guide 1.89 (תיקון תנאי חירום) או IEC 60780 (תחנות כוח נקיים - ציוד חשמל של מערכת הביטחון - Qualification) מסמכים אלה מציינים את סוגי המינון הקרינה, משך הבדיקה, וקריטריונים קבלה המבוססים על בסיס העיצוב של הצמח.

עיצוב מעשי: גישה של צעד

כדי לסנתז את האסטרטגיות לעיל, אנו מציגים זרם עיצוב טיפוסי המשמש מפתחי מערכת הגרעין I & C:

1. (FLT:0)Define הסביבה הקרינה: FLT:1 , Determine the gamma and neutron fluxes ומינונים משולבים עבור המיקום הספציפי (למשל, בתוך הכילה ראשונית לעומת בניין עזר). השתמש בניתוחי בטיחות צמחי (למשל, ממונח מקור התאונה) וליישם שולי (ply 1.5-2).
2. (FLT:0) מרכיבים מתאימים: FLT:1 התחל על ידי זיהוי חלקי rad-hard או rad-סובלניים עבור כל פונקציה (מעבד, זיכרון, ניטור מתח, ממשק).אם rad-hard אינו זמין, בחר רכיבי COTS עם מורשת ידועה או לבצע מבחן מראש.
3. (FLT:0) עיצוב לחידוש ו- EDAC:IRLT:1) יישום TMR ברמת FPGA / מיקרו-מעבד או ברמת הדירקטוריון. משלב ECC על כל הזיכרונות וה- CRC על קישורי תקשורת.
4. (FLT:0) לעצב את הפריסה המכנית: FLT:1 להציב את המעגל האנלוגי הרגיש ביותר מאחורי מגן. בנפרד כוח גבוה, חלקים גבוהים של ערוצי אנלוגיים נמוכים כדי למנוע הפיכה.
5. (FLT:0) סימולציות סימולציה הרציונאליות: FIRLT:1) השתמש ב- SPICE עם מודלים תלויים קרינה (למשל, שינוי סף) כדי לחזות ביצועי מעגלים בסוף החיים. השתמש בסימולציה מונטה קרלו כדי להעריך שיעורי הרגיז.
6. (FLT:0Build אבטיפוסs and test:FLT:1Build Boards to a Certified test Lab for TID, Nutron ו-SEE Testing for IEEE and IEC Standards.If Fails Happen, revise the design or מחזק עם ריצוף נוסף.
7. (FLT:0) הסמכה כללית: 1FLT לאחר בדיקות אבטיפוס עובר, לבצע בדיקות חיים מואצות על אצווה קטנה של יחידות ייצור כדי להבטיח עקביות במפעל.

מסקנה

תכנון מערכות אלקטרוניות לסביבות עתירה גבוהה בתחנות כוח גרעיניות הוא מאמץ רב תחומי הדורש שליטה בפיסיקה קרינה, מדע חומר למחצה, עיצוב מעגלים והנדסה אמינות. על ידי הבנת שלושת המנגנונים העיקריים - השפעות שללינג-אפילוט, כולל הקטנת השפעות של מינון ונזקים רפואיים הכרחיים, ועידוד - גורם מרכזי של אבטחה, ותיקון כללי של מערכות הגנה אוטומטית, מספק אחריות אוטומטית, ותיקון יעיל של פעולות אבטחה, ותיקון, הוא קריטיות, כלומר, מספק אחריות משפטית, אחריות משפטית, אחריות משפטית, ואפקטים, אחריות משפטית, אחריות משפטית, ונזקים קריטי, מספק, קריטיים, קריטיים.

עבור משאבים נוספים על השפעות קרינה מודלים ונתוני רכיב, מהנדסים יכולים להתייעץ עם מסד הנתונים של FLT:0 Sandia National Laboratories טכנולוגיה גרעיני של טכנולוגיה כוח גרעיני קבוצה של כוח גרעיני , ו-FLT:2NRC אלקטרוני הכללה (FLT 3: 3) למידה רציפה מהנתונים ושיתוף של שיטות הטובות ביותר בתעשייה ישפר את החוסן של אלקטרוניקה גרעינית הדור הבא.