成果報告書詳細
管理番号20110000001689
タイトル平成19年度~平成22年度成果報告書 「エネルギー使用合理化技術戦略的開発/エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発/大口径NTD-Si半導体の均一照射技術に関する研究」
公開日2012/2/17
報告書年度2007 - 2010
委託先名独立行政法人日本原子力研究開発機構
プロジェクト番号P03033
部署名省エネルギー部
和文要約ハイブリッドカーや電気自動車等の普及に伴いIGBTのマーケットは今後も拡大を続けているが、それらで使用されるIGBTはNTD-Siのような高品質にドーピングされた半導体を必要とする。IGBTの製造コスト低減のために、12インチ径という大口径シリコンを用いることは非常に有効なことである。そのため、12インチ径という大口径シリコンを用いたNTDの均一照射技術は今後重要となる。本研究開発では、12インチ径シリコンを均一に照射する手法について研究を行い、それを実証するために照射実験装置を製作し実験を行った。実験は研究用原子炉JRR-4において行い、この実験により均一照射手法の確立を確認した。JRR-4では原子炉出力が低いため、実用的なNTD-Siの生産が出来ない。そのため、より出力の高いJRR-3において12インチ径シリコン照射を行う検討を行った。更に、本格的にNTD-Siの生産を行うために、シリコン照射専用炉について検討を行った。2009年3月に実験装置が完成し、2009年7月に実験装置のJRR-4への据付が完了した。均一照射を達成するために、厚さ2mm、天然ボロン濃度2.0wt%を有するボロン混入アルミニウムから成る熱中性子フィルターを使用している。2009年度に12インチ径シリコン及び中性子束測定用金線を用いた熱中性子測定実験を原子炉出力10kWで行った。この実験の結果、均一な中性子束分布を得られることが判った。次に、2010年度に抵抗率測定用の照射実験を原子炉出力3.5MWで行った。この実験の結果、均一な抵抗率分布及び最低抵抗率として232Ω・cmを得ることが出来た。JRR-3改造の検討においては、重水タンク内に12インチ径シリコン照射筒を2本設置するための最適な位置について検討を行った。2本の照射孔を用いることにより、50Ω・cmの抵抗率を有するNTDシリコンを年間50トン生産出来ることが分かった。シリコン照射筒を2本設置するためには重水タンクを交換する必要があるが、それに伴う炉心の健全性確認のための熱水力解析を行った。その結果、燃料表面温度は十分に低いことが分かり、DNBRについても3.5と安全であることが分かった。重水タンク更新のための工期の検討を行い、約43カ月を要することが分かった。シリコン照射専用炉の検討として、燃料要素体の配置が3×12の長方形型炉心、6×6の長方形型炉心、燃料要素体をロの字型に配置したロ型炉心について検討を行った。その結果、3×12の長方形型の炉心形状を有する炉心が最も照射効率が良いことが分かった。この炉心を用いることにより、50Ω・cmの抵抗率を有するNTDシリコンを年間約130トン生産出来、3.3億円の年間利益を得ることが分かった。
英文要約Title: Study of Uniform Irradiation Technique for Large-Diameter NTD-Si (FY2007-FY2010) FY2008 Final Report
The market of IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is expanding to hybrid cars, electric cars and fuel battery cars that can save the energy. The IGBT requires the high-grade substrate silicon doped by neutrons. Applying 12 inches silicon promotes cost reduction effect of IGBTs. Hence, it is important to improve neutron uniform irradiation technology for the large size silicon up to 12 inches diameter. In this development program, an irradiation experimental equipment was designed to achieve uniform irradiation at using 12 inches NTD-Si with a neutron transportation calculation code, and irradiation experiments were carried out in JRR-4. The validity of the design was confirmed by the experiments. JRR-4 doesn’t have enough power to produce NTD-Si adequately. Therefore, JRR-3 with more power than JRR-4 was chosen to produce 12 inches NTD-Si in this program. In addition, an exclusive reactor for NTD-Si production was investigated for more NTD-Si production.The equipment was fabricated in March 2009, and then the equipment was installed in JRR-4 reactor pool in July 2009. The most suitable uniform irradiation condition for the equipment was obtained by calculation. The condition was achieved when the silicon was covered by a thermal neutron filter which was made of 2mm thick aluminum alloy with natural boron of 2.0wt%. In FY2009, irradiation experiments of 12 inches Si sample were carried out to estimate the thermal neutron flux distribution with gold wire at the reactor power of 10kW. As the result of experiment, uniform flux distribution was accomplished. In FY2010, Si irradiation for measuring resistivity was carried out at the reactor power of 3.5MW. The minimum resistivity was gotten as 232 ohm·cm. And uniform irradiation was achieved.In consideration of the reconstruction of JRR-3, the heavy water tank with two irradiation facilities for 12 inches NTD-Si was designed. The amount of production as 50 ohm·cm was estimated at 50 tons/year. In the design of new tank with two large irradiation pipes, the reactor reactivity for heavy water, the thermal-hydraulic characteristics for core and under plenum were investigated analytically. The results satisfied minimum DNBR and reactivity limitation in official safety estimation. Manufacturing lead time was estimated to around 43 months for a new heavy water tank. In the study of an exclusive reactor for NTD-Si, thermal hydraulic characteristics were evaluated. As the result, the maximum temperature of fuel surface was well below the ONB temperature, and DNBR was 3.5. It indicated that the exclusive reactor didn’t have any problems in thermal hydraulic characteristics. An exclusive reactor for NTD-Si production was designed for three geometry cores that constructed 6x6 fuel elements, 20 fuel elements around 4x4 aluminum block and 3x12 fuel elements. The exclusive reactor of 3x12 elements was the best economically. It was estimated that 50 ohm·cm was produced by 130 ton per year and 330 million yen profit was made per year.
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