Вход не выполнен
Войти
Федеральный интернет-портал

100 лет спустя: сверхпроводимость в приложениях

13:50 26.04.2011

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". 

Также к разрешающим технологиям относится использование сверхпроводимости в магнитных системах магнитно-резонансных томографов, мощных ускорителей элементарных частиц (всем известный БАК в ЦЕРНе), 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 млрд. 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. 

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".

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".

 

Информация предоставлена АНИ "ФИАН-информ"

 

 

 

 

 

На главную
К списку новостей
//-->