100 лет спустя: сверхпроводимость в приложениях

8 апреля исполнилось 100 лет со дня открытия сверхпроводимости. Именно в этот день 1911 года голландский ученый Г. Камерлинг-Оннес впервые записал в своем рабочем журнале: ”practically zero resistance”. 28 апреля того же года он на заседании Королевской академии наук в Амстердаме сообщил об обнаруженном им эффекте исчезновения электрического сопротивления ртутного образца, охлажденного с помощью жидкого гелия. О том, до чего дошел прогресс в области прикладной сверхпроводимости, и какие позиции в ней занимает Россия, рассказывает заведующий отделением сверхпроводящих проводов и кабелей Всероссийского научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института кабельной промышленности (ОАО «ВНИИКП»), доктор технических наук Виталий Высоцкий.

Сверхпроводимость – явление уникальное и очень полезное. Одно плохо – требует холода, а, значит, энергетических и, соответственно, финансовых затрат. В одних случаях на эти затраты идут для того, чтобы получить абсолютно новое качество, в других – для замены пусть и отработанных, но малоэффективных несверхпроводящих технологий. По этим признакам сверхпроводящие технологии делят на «разрешающие» (enabled) и «замещающие» (replaced).

Одним из ярких примеров сверхпроводящих «most wanted» направлений в области разрешающих технологий являются попытки создать сверхпроводящие ограничители тока.
«Сверхпроводящий токоограничитель, – объясняет бывший научный сотрудник ФИАН, заведующий отделением сверхпроводящих проводов и кабелей ОАО "ВНИИКП», доктор технических наук, член-корр. АЭН РФ, Виталий Сергеевич Высоцкий, – это очень занятная вещь, которая может быть осуществлена только с помощью сверхпроводимости. Грубо говоря, если у вас в сеть включен кусок сверхпроводника, то ток идёт беспрепятственно. Но каждому сверхпроводнику соответствует свой критический ток, выше которого он пропускать не может, и если в сети происходит короткое замыкание, то есть ток резко растет, то сверхпроводник переходит из сверхпроводящего состояния в нормальное и становится куском сопротивления, а, значит, ограничивает ток. При снижении тока короткого замыкания – он снова автоматически становится сверхпроводящим. Не нужно мощных выключателей все происходит как бы само собой. Это очень перспективное сейчас направление, которое активно развивается".

Виталий Сергеевич Высоцкий

Также к разрешающим технологиям относится использование сверхпроводимости в магнитных системах магниторезонансных томографов, мощных ускорителей элементарных частиц (всем известный БАК в ЦЕРН-е), ЯМР-спектрометров, особенно для биотехнологических исследований, термоядерных реакторов (например, ITER).

Пока что единственным реально промышленным применением сверхпроводимости стали магнитно-резонансные томографы, на низкотемпературных сверхпроводниках. Просто потому, что нет других способов получить магнитные поля в необходимом объеме. Это яркий пример разрешающих технологий, рынок которых составляет около 2 миллиардов долларов в год.

С открытием высокотемпературных сверхпроводников началась новая эра в применении сверхпроводимости. Снижение стоимости охлаждения позволяет думать о замещающих технологиях, особенно в области электроэнергетики.

Хороший пример замещающих технологий – это трансформаторы. Сверхпроводящие трансформаторы будут несколько эффективнее (даже с учетом требования на охлаждение), надежнее и безопаснее обычных, но намного дороже, по крайней мере, пока. Поэтому особого энтузиазма по их внедрению энергетики пока не испытывают.

Другое дело – сверхпроводящие линии электропередачи. Главным аргументом в их пользу является возможность увеличения передаваемых мощностей, не увеличивая габариты кабеля, а также возможность экономить до 25% энергии, теряющейся сегодня при передаче на расстояния.

>«Путем замены традиционных силовых кабелей сверхпроводящими можно добиться значительного, от 3 до 8 раз, увеличения мощности магистральных и распределительных сетей. О значительном финансовом выигрыше, до отладки процесса производства высокотемпературных сверхпроводников, пока говорить рано. Однако и при нынешнем уровне цен на базовые сверхпроводники определенного выигрыша добиться можно. Например, в случае передачи больших мощностей – более 200–300 МегаВольтАмпер (МВА), или, что не менее важно, за счет изменения инфраструктуры и высвобождения дорогостоящей земли, в частности, путем замены воздушных линий электропередач в мегаполисах и крупных городах на кабели такой же мощности. Или, тоже высвобождение земли, – передача мощностей на генераторном напряжении с исключением двух подстанций высокого напряжения», – комментирует Виталий Высоцкий.

Сверхпроводящие кабели – это не только линии передачи. Низкотемпературные сверхпроводящие кабели применяют в сверхпроводящих магнитах, в том числе в магнитах ускорителей элементарных частиц. Сложнейшие «НТСП-кабели-в-оболочке» используют для создания огромных магнитов с сильными магнитными полями.

НТСП кабели производятся в России с 70х годов прошлого века, и за эти десятилетия наша страна вышла на довольно неплохой уровень. В частности, среди стран-участников крупного международного проекта термоядерного экспериментального реактора ITER во Франции, запуск которого запланирован на 2018 год, российское кабельное производство считается одним из лучших. В подтверждение этому факт – для магнитной системы ITER «ВНИИКП», как головной исследовательский центр и основной разработчик сверхпроводящих проводов и кабелей в России, должен за три года изготовить и поставить 20% от общего количества проводников тороидального поля (типа «кабель – в оболочке») и два кабеля (за себя и Европу) полоидального поля. При этом нельзя сбрасывать со счетов и требования – кабели должны обладать высочайшим качеством и надежностью, отвечать серьезным европейским стандартам.

«Сверхпроводящие провода – стренды для обмоток полоидальных и тороидальных магнитов проекта ITER из сплава NbTi и интерметаллида Nb3Sn производят на Чепецком механическом заводе в Глазове в Удмуртии, а затем отправляют к нам во ВНИИКП. Мы их покрываем никелем или хромом, скручиваем, помещаем кабель в нержавеющую трубу и обжимаем. Все это делается под строгим международным контролем с многочисленными проверками. Здесь наша страна, несомненно, одна из лидирующих в области НТСП технологий», – рассказывает Виталий Сергеевич.

Производство проводников для магнитов ИТЭР на основе Nb3Sn и NbTi.

Если говорить о ВТСП, то разработка силовых кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников в нашей стране началось уже в нынешнем веке, начиная с 2005 года, при поддержке РАО «ЕЭС России» и Анатолия Чубайса, организовавшего специализированный Координационный совет по сверхпроводящим технологиям. В 2010 году благодаря совместным усилиям «ВНИИКП», Энергетического института им. Г.М. Кржижановского, НТЦ Электроэнергетики и МАИ Россией был поставлен рекорд – была изготовлена крупнейшая в Европе 200-метровая кабельная линия электропередачи на основе высокотемпературного сверхпроводника. В настоящее время изготовленная кабельная линия уже прошла приемочные испытания, и в конце года ее установят в реальную энергосеть Москвы – на московской подстанции «Динамо».

Общий вид, макет и сечение сверхпроводящего силового кабеля на основе высокотемпературных сверхпроводников.

Безусловного лидера в области производителей высокотемпературных сверхпроводниковых материалов выделить сложно. Здесь нужно учесть их разбивку по технологии производства – на сверхпроводники первого и второго поколения. К первому поколению относится так называемый «порошок в трубе»: порошок висмутовой пятикомпонентной системы засыпают в серебряную матрицу, составляющую порядка 70% от конечного продукта, после чего несколько труб собирают вместе, прессуют и отжигают. Сверхпроводники второго поколения можно отнести к тонкоплёночной электронике, это тонкое сверхпроводящее покрытие на ленте-подложке со специальным буферным слоем. Из двух поколений перспективнее второе – используемые в нем материалы не содержат дорогостоящих компонентов и сулят меньшие потери, но сама технология весьма непроста, и соответственно, пока дорога.

Если говорить о производстве сверхпроводящих кабелей, то по низкотемпературным кабелям Россия явно среди лидеров, по крайней мере, среди стран-участниц проекта ITER точно. По высокотемпературным силовым кабелям – лидирующее место в Европе и 3–4-ое в мире.
«Но можем пойти и выше, – констатирует Виталий Высоцкий, – все предпосылки у нас есть. Другая задача – продвинуться в других направлениях, например, в сверхпроводящих токоограничителях. Наработки в этом направлении у нас в стране есть, дело за разумным финансированием. Но главное для приложений – это, конечно, производство исходных сверхпроводников. И если по НТСП у нас есть Чепецкий механический завод, производящий NbTi и Nb3Sn на хорошем мировом уровне, то с ВТСП дело пока хуже. Однако приятно – уже существует частная компания, разрабатывающая и готовящаяся начать производство ВТСП 2-го поколения – "СуперОкс». Хочется пожелать ей и другим участникам работ в области прикладной сверхпроводимости всяческих успехов".

Источник