Giriş: Nükleer Çevre Meydanları

Nükleer enerji santralinin reaktör çekirdeğinin içinde veya yakınında çalışabilmesi gereken elektronik sistemler, elektrik ve nükleer endüstrilerde en talep edilen mühendislik zorluklarından birini sunar. Yoğun kumar ve nötron radyasyonu, yüksek sıcaklıklar, baskı aşırılığı ve radyasyon izleme kanalının birleşimi, geleneksel ticari-off-the-şelf (COTS) elektroniklerin tasarım stratejilerine yönelik olarak gerekli olan tek bir başarısızlık - kontrol çubuğuna yönelik olarak, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan yöntemlere ve yöntemlere yönelik olarak, temel bir elektronik sistemlere yol açabilir.

Elektronik Emisyon Etkilerinin Anlanması

Radyasyon toleransı için tasarımdaki ilk adım, üç ana kategoriye nasıl etkilenebilecek farklı radyasyon türlerinin ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasıdır: tek kaynaklı etkiler (SEEs), toplam iyonize doz (TID) etkiler ve yer değiştirme hasarları.

Tek- Event Effects (SEEs)

SEEs tek bir enerjik parçacığın gerçekleştiğinde meydana gelir - bir nötron veya kumar ışını gibi - yarı iletken bir cihazda hassas bir düğüm, geçici bir yükseği oluşturabilir.Eğer bu pul pulu yeterince büyükse, hafıza hücresinin durumunu değiştirebilir (örneğin, SEU), bir mantık kapısında geçici bir kesintiye neden olur (örneğin, kuantum kontrolde veya daha iyi durumdaki bir kuantum kontrolde (örneğin,) veya SEL-event-out (single-event)

Toplam Ionizing Dose (TID) Etkileri

Zamanla, radyasyonun (özellikle kumar ışınları) azaltılmasına karşı toplu olarak maruz kalan maruz kalmalar, kapı oksitlerinde ve MOS transistörlerin alan oksitleri üzerinde durulmaktadır.Bu sıkışık parçalar, gerilimlerin eşiğine dayanabilir ve transkondüktöreleri azaltır ve sonunda teleskobu başarısızlıkları azaltır. TID, silikon destekli devreler için kontrol eder (Si) veya Gray.

Hasarsızlık

Boşluk hasarı öncelikle yüksek enerjili nötronlardan (ve daha az ölçüde, protonlardan ve kumarlama ışınlarına tepki verme) oluşur.Bir nötron yarı iletken kristal lattice'de atomlarla çarpışdığında, o atomun, hasar verici çiftlerin (Frenkel kusurları) önemli ölçüde düşmesi veya mevcut hasarların azaltılması gibi.

Neutron-Indüktör Etkileri: A Closer Look

Nükleer fission reaktörlerde, nötron flux özellikle yoğundur ve geniş bir enerji spektrumu (daha hızlı) kapsar. Neutrons doğrudan iyonize değil, ancak elastik ve inelastic saçılma ile etkileşime girer, bu nedenle iyonizasyon ve yerinden edilmeleri için geri dönüşümlü atomlar üretmelidir.

Radyasyon Toktoksitleri için Tasarım Stratejileri

Radyasyon etkileri hakkında bilgi sahibi tasarımcıların, şimdi yüksek çözünürlüklü ortamlarda hayatta kalma ve işlev için elektronik sistemlerin mümkün olmasını sağlayan temel tasarım stratejilerine dönüyoruz.Bu stratejiler karşılıklı olarak özel değildir; başarılı bir tasarım genellikle birkaç yaklaşımla birleştirir.

Radyasyon-Hardized Elements

En basit yaklaşım, özellikle radyasyon ortamları için üretilen veya nitelikli olan bileşenleri kullanmak. Radyasyon-hardized (rad-hard) parçalar Honeywell Aerospace, Renesas ve Cobham (şimdi BAE Systems'in bir parçası) gibi özel olarak bulunan ve daha fazla sayıdaki dairelerde bulunabilir.

Reddans ve Fault

Sistem seviyesindeki redcy, nükleer güvenlik temelleridir. ABD Nükleer Düzenleme Komisyonu (NRC) ve Uluslararası Atom Enerji Ajansı (IAEA) farklı ve kırmızı güvenlik sistemleri gerektirir, genellikle radyasyondan dolayı başarısız olursa, sistem doğru şekilde uygulanabilir veya sabitlenebilir.

Shielding Teknikleri

Fiziksel kalkanlama radyasyon florx hassas bileşenlere ulaşır. Koruyucu malzemenin seçimi radyasyon türüne bağlıdır: kumar ışınlarına, yüksek hacimli uranyumlara yol açan, Tırıklı bir yaklaşım genellikle kullanılır: bir hidrojen malzemesi (örneğin, su gibi düşük-Z malzemeler), yavaş ve nötronlu bileşikleri kullanarak, patlayıcıların çoğunun koruyucusu olarak işlenmesi ve koruyucusu için zorlaştırılması gerekir.

Hata Tespiti ve Düzeltme (EDAC)

Red dışı, aktif hata algılama ve düzeltme mekanizmaları hayati önem taşıyor. Dijital sistemler için, bu, CRC (kücreli gecikme kontrolü) ile iletişim bağlantıları üzerinde, kayıt dosyaları için parasal notlamalar ve DRAM için ECC'nin ana akımları gibi dinamik radyasyon tazminatı (yalnızca takip edilen radyasyona dayalı önyargılı geçişler) sürekli olarak kontrol edilememesi için kontrol edilebilir.ForLocks, redt sensör dizileri için, kartel veya medyan filtrelemesi için sağlam ölçümler sağlar.

Malzeme ve Kompiyon Seçimi

Doğru malzemeleri ve bileşenleri seçmek, tasarım stratejileri ile el ele alır. Bir projenin başlangıcında yapılan seçimler son sistemin radyasyon toleransını ve güvenilirliğini büyük ölçüde etkiler.

Yarısıksız Teknolojiler

Silikon-on-insulator (SOI) teknolojisi, ürpertici bir tabakanın üzerinde ince bir silikon tabakası koymak için mevcut olan ana akımdır, ancak mikro-parçalı sistemlerde hassas-parçalı sistemlerde daha hassastır.

Dielektrikler ve Pasivation

Gemilerde kullanılan dielektrik malzemeleri (FR-4, poliimide, seramik) ve geçişler radyasyon altında bozulabilir. Polyimide ve Alarm (Teflon) radyasyon direnci için bilinir, ancak standart epoxy-4 yüksek dozlarda sızıntı ve bozulma yaşayabilir; bunun yerine, ETFE veya çapraz bağlantılı polinöpücüler ile kombine edilebilir.

Ambalaj ve Assembly

Hermetic paketler (ceramic veya metal) plastik parçalar için tercih edilir, çünkü nem tasarrufu sağlar ve radyasyonun altında daha sağlam bir şekilde kaplama ve radyolojik etkiler sağlar. Plastik paketler kaçınılmaz olduğunda (örneğin COTS bileşenleri için), lüferin stabilitesi için test edilmesini sağlar ve bu da organik maddelerde daha az kimyasal maddede (örneğin, radyasyonda) veya poliurettan kullanarak daha fazla koruma sağlar.

Test ve Geçerlilik

Hiçbir tasarım, temsilci radyasyon koşullarında titiz bir şekilde geçerli değildir. Test, seçilmiş stratejilerin çalıştığını ve beklenmedik başarısızlık modlarını ortaya çıkarmak için önemlidir.

Radyasyon Test Yöntemleri

Üç birincil radyasyon testi kullanılır: Co-60 gamma kaynakları TID testi, nötron jeneratörleri veya reaktör yok edicileri için geri dönüşümlü veya proton hızlandırıcıları SEE karakterizasyonu için.SEE testleri gibi standartlarda, örneğin, test edilen (DUT) ve benzeri bir dozda (DUT) ile birlikte, yüksek çözünürlükte (DUT) bir testte kullanılan bir ölçümde (DUT) ve yüksek çözünürlükte (DUT) ile birlikte, otomatik olarak ölçümleme testi yapılır.

Hızlandırılmış Yaşam Testi ve Güvenilirlik Estimation

Temel radyasyon toleransının ötesinde, uzun vadeli güvenilirlik değerlendirilmelidir. Hızlandırılmış yaşam testleri, tasarım yaşam doz oranını (FIT) ve güven seviyelerinin hesaplanması için 2× 3 ×'da bir sistem tarafından belirlenen standartlar kullanılarak hesaplanabilir. Örneğin, 0NUREG-0800[Dönemli güç santralleri için standart bir test)

Kazanılan Derece Standartları ve Düzenleme

Birçok ülkede, nükleer enerji santrali ekipmanı, bitki tasarımı temelindeki düzenleyici gereklilikleri karşılamalıdır. Örneğin, Sınıf 1E ekipman (güvenli güç santralleri - Güvenlik sisteminin elektrik donanımları - Kazanılan Derece - Bu belgeler, dijital I&C sistemleri, ek siber güvenlik ve kabul kriterlerine dayanarak test süresine göre (örneğin, NRC) başarılı bir şekilde test edilebilir.

Pratik Tasarım Akışı: Bir Adım-by-Adım Yaklaşım

Yukarıdaki stratejileri sentezlemek için, nükleer I&C sistemi geliştiricileri tarafından kullanılan tipik bir tasarım akışı sunuyoruz:

  1. [FONT=0) Radyasyon ortamını ifade edin:[Dönetici: [Dönetici:0) Belirli bir yer için beklenen kumar ve nötron floraklarını ve entegre dozları belirler (örneğin, birincil kaynak bina içinde).
  2. [FONT:0) Uygun bileşenleri seçin:[Dönetici: [Dönetici:0)En iyi bileşenleri seçin:[FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=0)If rad-hard is not available, select COTS components with known relationship or make a pre-test.
  3. [FONT=0)Rektör ve EAC için Tasarım: Implement TMR FPGA/mikroişlemci mantık seviyesinde veya kurul düzeyinde.Ingre ECC tüm anılar ve CRC'lerde iletişim bağlantıları.
  4. [FONT=0] Mekanik düzeni tasarlayın:[Dönetici:[Dönetici:0) Yönelmedeki en hassas analog devreleri korumanın arkasındaki üst düzey, yüksek gerilim bölümlerinin düşük boyutlu analog kanallardan darbeden kaçınmasını sağlamak için.ExFLT:2).Directus).
  5. [FONT=0)Perform iterative simülasyonlar:) SPICE ile radyasyona bağlı modeller (örneğin, eş gerilimi değişimi) son derece hayatta devre performansını tahmin etmek için SPICE kullanın.Use Monte Carlo simülasyon to estimate sad rates.
  6. [FONT:0)Prodüktörler ve test:[Dönetici:0) Kurullar TID, nötron ve SEE testleri için IEEE ve IEC standartları için nitelikli bir test laboratuvarına gönder.Eğer başarısızlıklar meydana gelirse, tasarımı geri döndürür veya ek reddans ile güçlendirin.
  7. [FONT:0) Son Derecesi: [Dönetici: [Dönetici: 0,3) Prototiplemeden sonra, fabrika tutarlılığını sağlamak için küçük bir üretim birimlerinde hızlandırılmış yaşam testleri gerçekleştirin. Doküman Tüm test sonuçları için düzenleyici.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Nükleer enerji santrallerinde yüksek çözünürlüklü ortamlar için elektronik sistemler tasarlamak, radyasyon fiziği, yarı iletken malzeme bilimi, devre tasarımı ve güvenilirlik mühendisliği talep eden çok disiplinli bir çabadır.Üç birincil hasar mekanizması anlamakla - toplam iyonize edici etkiler ve yer değiştirme zararları - fiziksel dayanıklılıkları uygun şekilde uygulanabilir.

Radyasyon etkileri modelleme ve bileşen verileri üzerine ek kaynaklar için mühendisler, alanındaki verilerin sürekli öğrenmelerine ve endüstrideki en iyi uygulamaların paylaşılmasına ek olarak, gelecek nesil nükleer elektronik laboratuvarların nükleer enerji teknolojisi grubunun () ve USQ:2)NRC elektronik yönetim veritabanı) Sürekli öğrenme alanı verileri ve endüstrideki en iyi uygulamaların paylaşımı, gelecek nesil nükleer elektronik elektronik elektronik elektronik elektronik elektronik elektronik elektronik elektronik elektroniklerin dayanıklılığını daha da artıracaktır.