Kõrge temperatuuri ülijuhtivus(HTSC, Kõrge temperatuuriga ülijuhid või High-T c) - ülijuhtivus suhteliselt kõrgetel temperatuuridel. Ajalooliselt on piirväärtuseks temperatuur 30 K, kuid mitmed HTSC autorid peavad silmas ülijuhte, mille kriitiline temperatuur on kõrgem kui lämmastiku keemistemperatuur (77 K või –196 °C).
Nagu "tavaline" ülijuhtivus, seisneb nähtus materjali elektrilise takistuse täielikus kadumises, kui see jahutatakse alla antud materjali kriitilise temperatuuri. Ja nende eriline tähtsus seisneb praktilise kasutamise võimaluses odavamate ja mugavamate jahutitega (vedel vesinik, lämmastik) kui klassikaliste ülijuhtide jaoks vajalik surve all olev vedel heelium.
2017. aasta seisuga on nähtus kõige laiemalt tuntud ja uuritud ülijuhtiva keraamika (segaoksiidide) perekonnas, millel on ühine struktuurne tunnus – vase-hapniku kihtidega eraldatud komponentide kihid. Neid nimetatakse ka kupraatülijuhtideks. Ülijuhtivuse üleminekutemperatuur, mida on võimalik saavutada mõnes selle perekonna ühendis, on kõrgeim normaalrõhul ja -temperatuuril stabiilsete ülijuhtide hulgas.
Lugu
Esimesed, kes avastasid 35 K kriitilise temperatuuriga ühendis La 2-x Ba x CuO 4 kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse fenomeni, avastasid IBM Corporationi teadusdivisjoni töötajad Karl Muller ja Georg Bednorz 1986. aastal. Selle avastuse eest anti neile 1987. aastal kohe Nobeli preemia. On uudishimulik, et seda tüüpi segakeraamikat (AMO3 perovskite) uuriti samal ajal aktiivselt NSV Liidus.
1987. aastal avastati ülijuht YBCO (ütriumbaarium vaskoksiid), mille kriitiline temperatuur oli 92 K. See oli esimene ülijuht, mille kriitiline temperatuur on kõrgem kui vedela lämmastiku keemistemperatuur (77 K).
Praegu (2015) on H 2 S (vesiniksulfiid) rõhul 150 GPa rekordiline kriitiline temperatuur T c = 203 K.
2018. aastal purustati kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse rekord kaks korda:
muud
Keraamiliste HTSC-de piiratud praktiline kasutamine on tingitud asjaolust, et HTSC-d läbiva voolu tekitatud magnetväli, kui see on suur, põhjustab juhi enda kihilise struktuuri hävimise ja sellest tulenevalt ülijuhtivate omaduste pöördumatu kadumise. Pealegi piisab ülijuhtivate toodete (nii HTSC kui ka klassikaliste) puhul sellisest rikkumisest ühes punktis, sest tekkinud defekt muutub hetkega suure takistusega piirkonnaks, kus eraldub soojust, mis põhjustab naaberalade järjestikuse kuumenemise, s.t. laviinitaoline väljumine kogu juhi ülijuhtivast olekust.
Normaalsed (ja ülijuhtivad) olekud näitavad erinevate kupraatkompositsioonide vahel palju ühiseid jooni; paljusid neist omadustest ei saa BCS-teooria raames seletada. Praegu ei ole oksiid-HTSC-de ülijuhtivuse kohta selgelt määratletud teooriat; probleem on aga toonud kaasa palju huvitavaid eksperimentaalseid ja teoreetilisi tulemusi.
Selle valdkonna uuringute põhieesmärk on HTSC – materjalid, mis töötavad vähemalt Maal levinud temperatuuridel (umbes -30°C) ja maksimaalselt toatemperatuuril. Nende loomine tooks kaasa revolutsiooni energeetikas ja elektroonikas, kus juhtide takistuskaod on oluliseks probleemiks.
Intermetallikud
Märkmed
Lingid
Kirjandus
- Maksimov E. G. Kõrge temperatuuri ülijuhtivuse probleem. Praegune seis // Uspekhi fizicheskikh nauk, 2000, s 170, nr 10, lk. 1033-1061.
- Sadovsky M.V. Pseudogap kõrgtemperatuursetes ülijuhtides // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2001, v. 171, nr 5, lk. 539-564.
- Aksenov V.L. Kupraat kõrgtemperatuursete ülijuhtide neutronograafia // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, v. 172, nr 6, lk. 701-705.
- Ponomarev Ya.G. Kõrgtemperatuursete ülijuhtide tunneli- ja Andrejevi spektroskoopia // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, v. 172, nr 6, lk. 705-711.
- Kopaev Yu. V. Kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse mudelid // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, v. 172, nr 6, lk. 712-715.
- Tšernoplekov N. A. Rakendatud kõrgvoolu ülijuhtivuse töö seis // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, v. 172, nr 6, lk. 716-722.
- Beljavski V.I., Kopaev Yu. V.Üldistatud vaade kõrgtemperatuurilise ülijuhtivuse olemusele (M2S-HTSC-VII materjalide põhjal) // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2004, v. 174, nr 4, lk. 457-465.
- Mitsen K.V., Ivanenko O.M.
Rüütlivahetus
Tuumamagnetresonantsi (NMR) sagedus sama tuuma puhul sõltub sellest, kas tuum on metall või dielektrik. TMR sageduse nihet metallis võrreldes dielektrikuga, mida nimetatakse nihkeks või Knighti nihkeks, seletatakse suure tõenäosusega, et juhtivuselektronid asuvad tuumade asukohas. Need elektronid magnetiseeritakse välisvälja poolt ja tuuma kogumagnetväli osutub mõnevõrra suuremaks kui välisväli. Kuna tavametallide magnetiline vastuvõtlikkus on praktiliselt temperatuurist sõltumatu, on ka Knighti nihe neis konstantne.
Ülijuhtides täheldatakse Knighti nihet emulsioonides või õhukeste kilede virnades (emulsiooniosakeste suurus või kilede paksus peab olema palju väiksem kui d, et magnetväli neis oleks piisavalt ühtlane). Nihke suurus alla Tk väheneb, kuid isegi T=0 korral säilitab see oma lõppväärtuse, ulatudes 75%-ni normaalsest. Esmapilgul on see ülijuhtivuse teooriaga vastuolus. Tõepoolest, madalaima energiaga põhiolekus on elektronid ühendatud Cooperi paarideks, mille elektronide koguspinn on null. Seetõttu on elektroonikasüsteemi võimalik magnetiseerida ainult paaride purustamisega, kuid selleks on vaja lõplikku energiat. Sellest järeldub, et magnetmoment ei saa sõltuda lineaarselt välisväljast, s.t. magnetiline vastuvõtlikkus on null.
Kõige veenvam seletus ülijuhtide Knighti nihke lõplikule suurusele T = 0 juures näib olevat järgmine. Väikestes proovides on elektronid hajutatud proovide ja kristalliitide piiridelt (mille suurus on väiksem või umbes proovide suurus). Spin-orbiidi vastastikmõju tõttu on teatud tõenäosus, et elektroni spinn muudab sellise hajumise käigus oma orientatsiooni. Tänu sellele saab elektroonilist süsteemi magnetiseerida nõrgas magnetväljas.
Kõrge temperatuuri ülijuhtivus
Kõrgtemperatuuri ülijuhtivuse küsimus on praktilisest seisukohast äärmiselt oluline. Kõigist teadaolevatest materjalidest on sulamil (Nb 3 Al) 4 + Nb 3 Ge kõrgeim ülijuhtivasse olekusse ülemineku temperatuur; Selle Tk on ~ 20 0 K. Selle saamiseks on vaja kasutada vedelat heeliumi. Eelnevalt käsitletud ülijuhtivasse olekusse ülemineku mehhanism põhineb elektroonilisel interaktsioonil läbi kristallvõre, see tähendab fonoonide vahetuse tõttu. BCS-teooria näitab, et Tk on otseselt seotud elektronide vahel tekkiva tõmbejõu intensiivsusega ja selle määrab järgmine seos:
T k = e -1/g, (82)
kus ja on Debye temperatuur, g on konstant, mis sõltub elektronide vahelisest tõmbejõust ja suurusjärk ei ületa S ja on peaaegu alati väiksem kui S. Kui g = 1/3, on maksimaalne kriitiline temperatuur, mida on võimalik saada materjali jaoks, mille u = 500 0 K on: T k = e -3 = 0,05u ~ 25 0 K. Muidugi on see hinnang väga konarlik, kuid sellest piisab, et mõista, et ülijuhtivust kõrgel temperatuuril (Tc > 70-100 0 K) pole võimalik saavutada. Tuleb rõhutada, et isegi Tk ~ 25 0 K saavutamine oleks praktilisest seisukohast äärmiselt oluline, kuna see võimaldaks üleminekut vedelalt heeliumist palju odavamale vedelale vesinikule. Seega on kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse realiseerimiseks vaja otsida teist.
Orgaaniliste ühendite kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse (HTSC) idee esitati 1950. aastal. F. London ja alles 14 aastat hiljem ilmus sellele ideele vastus Ameerika füüsiku W. Little'i töödes, kes esitas julge oletuse, et orgaanilise, mitte metallilise olemusega ülijuhid on võimalikud. Little andis oma arutluses olulise koha polümeeri molekulidele, mille põhiahelas on vaheldumisi üksik- ja mitmiksidemed (keemikud nimetavad selliseid sidemeid konjugeeritud). Fakt on see, et iga aatomeid ühendav keemiline side on neile mõlemale kuuluv elektronide paar. Konjugeeritud sidemete ahelas on elektronide sotsialiseerumisaste veelgi kõrgem: igaüks neist kuulub võrdselt ahela kõikidesse aatomitesse ja võib seda mööda vabalt liikuda. Mööda ahelat liikuvate elektronide korrelatsioon toimub nende fragmentide, mitte kristallvõre polarisatsiooni tõttu. Kuna elektroni mass on mitu suurusjärku väiksem mis tahes iooni massist, võib elektronfragmentide polarisatsioon olla tugevam ja kriitiline temperatuur kõrgem kui taustmehhanismi puhul. Little pidas seda polümeeri molekuli põhiahela konjugeeritud sidemete omadust ülijuhtivasse olekusse ülemineku oluliseks eeltingimuseks. Samuti pidas ta üleminekuks vajalikuks spetsiaalset põhiahelast pärit harude struktuuri. Olles koostanud oma polümeeri kavandi, jõudis teadlane järeldusele: selliste molekulidega aine peab olema ülijuhtiv; Veelgi enam, see peaks sellesse olekusse sisenema mitte väga madalal temperatuuril, võib-olla toatemperatuuri lähedal. Orgaanilise ülijuhi skemaatiline mudel on näidatud joonisel 13.
Riis. 13
Kõikidest energiakadudest vabad juhid täiesti tavalistes tingimustes muudaksid loomulikult elektrotehnikas pöörde. Ameerika füüsiku idee võeti üles paljudes laborites erinevates riikides. Kiiresti sai aga selgeks, et Little’i leiutatud polümeer ei saa ülijuhtivasse olekusse minna. Kuid julgetest ideedest sündinud entusiasm kandis vilja, kuigi mitte seal, kus algul oodati. Ülijuhtivus avastati endiselt väljaspool metallide maailma. 1980. aastal viis Taanis K. Bekgaardi juhitud teadlaste rühm, kes katsetas radikaalioonide soolade klassi kuuluva orgaanilise ainega, selle ülijuhtivasse olekusse rõhul 10 kilobaari ja temperatuuril 0,9 kraadi üle absoluutse nulli. 1983. aastal asus nõukogude füüsikute meeskond, mida juhtis füüsika- ja matemaatikateaduste doktor I.F. Shchegolev, saavutas ülemineku sama klassi ainelt ülijuhtivasse olekusse juba 7 kraadi absoluutse temperatuuri skaalal ja normaalrõhul. Kõigi nende otsingute ja katsete ajal ei jätnud teadlased tähelepanuta karabiine. (Karbüün on looduses üliharuldane orgaaniline aine. Struktuur on lõputud lineaarsed süsinikuaatomite ahelad. Ta säilitab oma struktuuri kuumutamisel 2000 C-ni ja seejärel, alates umbes 2300 C-st, on ta ümber paigutatud vastavalt grafiidi kristallvõre tüüp Karbiini tihedus on 1,92,2 g/cm.
(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…))
Akadeemik V. L. Ginzburgi välja töötatud kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse teoreetiline mudel põhineb elektronide interaktsiooni nn eksitonmehhanismil. Fakt on see, et elektroonilises süsteemis on spetsiaalsed lained - eksitonid. Sarnaselt fonoonidele on need kvaasiosakesed, mis liiguvad läbi kogu kristalli ega ole seotud elektrilaengu ja massi ülekandega. Sellise ülijuhi näidisnäidis on dielektriku või pooljuhi kihtides olev metallkile. Metallis liikuvad juhtivuselektronid tõrjuvad dielektrilisi elektrone ehk ümbritsevad end liigse positiivse laengu pilvega, mis viib elektronipaari moodustumiseni. See elektronkorrelatsioonimehhanism ennustab kriitilise temperatuuri väga kõrgeid väärtusi (Tc = 200 K).
1986. aasta lõpus avaldati Šveitsist pärit K. Mülleri ja J. Bednoretzi aruanne lantaani - baariumi - vase - hapnikukeraamika ülijuhtivuse avastamise kohta temperatuuril üle 30 0 K. Peagi saabusid teated Jaapanist ja USA-st umbes lantaani - strontsiumi - keraamika ülijuhtivus vask - hapnik temperatuuril 40-50 0 K. NSV Liidus NSV Liidu Teaduste Akadeemia Füüsika Instituudi A. Golovaškini laboris avastati, et ütriumis- keraamika ülijuhtivus algab temperatuuril 120 0 K. Praegu otsitakse intensiivselt kõrgema temperatuuriga (võib-olla isegi toatemperatuuriga) ülijuhte, mis on juba viinud suure hulga ülijuhtivasse olekusse muutuvate materjalide avastamiseni. lämmastiku temperatuuridel. Polümeerist ülijuhid on selles osas väga paljulubavad.
Koos kõrgendatud Tc-ga ülijuhtivate materjalide otsimisega, mis põhinevad juhtivuselektronide sidumise mõjul positiivselt laetud võre ioonide kaudu, otsivad laborid üle maailma aktiivselt teisi elektronide interaktsiooni mehhanisme, mis võivad viia elektronide tõhusama ligitõmbamiseni. ja sellest tulenevalt ülijuhtivate materjalide tootmiseks, mille üleminekutemperatuur on Tc.
1) 1957. aastal loodi universaalne BCS-teooria, mis andis ülijuhtivuse fenomenile põhimõttelise seletuse.
2) Ülijuhis olevat elektroonilist süsteemi võib kujutada koosnevana seotud elektronpaaridest (Cooperi paarid) ja ergastusest kui paari katkemisest.
3) Ülijuhtivas olekus elektrooniline süsteem on põhisüsteemist eraldatud energiavahega laiusega E St.
4) Ülijuhtivasse olekusse ülemineku punktis muutub soojusmahtuvus järsult.
5) Ülijuhtivuse teooriale tuginedes avastati nähtus, mida nimetati Josephsoni efektiks. See hõlmab ülijuhtiva voolu voolu läbi õhukese dielektrikukihi, mis eraldab kaks ülijuhti. Josephsoni efekte on kaks – statsionaarne ja mittestatsionaarne.
6) Ülijuhi magnetvoog on kvantiseeritud ja võib omandada ainult teatud arvu diskreetseid väärtusi.
7) I tüüpi ülijuhtide vaheseisund oleneb näidise kujust, selle asukohast välises magnetväljas ja seda ei teki alati. II tüüpi ülijuhtide segaolek on sisemine omadus ja see ilmneb mis tahes kujuga proovides niipea, kui magnetväli saavutab kriitilise väärtuse.
Ameerika füüsikud on välja mõelnud elektronide käitumise aine niinimetatud pseudogap-faasis, mis eelneb ülijuhtivuse seisundile.
Ülijuhtivus on aine elektrilise takistuse täielik kadumine alalisvoolule temperatuuril alla kriitilise temperatuuri. Ülijuhtide tohutu praktiline väärtus seisneb selles, et voolu voolamisel puudub neis elektrienergia kadu. Kuid nende laialdast kasutamist takistab väga madal kriitiline temperatuur. Enamiku ainete puhul on see absoluutse nulli lähedal. Kuni 1986. aastani oli kõrgeim temperatuur Nb 3 Ge sulamil, mille ülijuhtivus esines temperatuuril alla 23 K (-250°). Seetõttu tekkis oluline teaduslik probleem: leida aineid, mis muutuvad kõrgemal, eelistatavalt toatemperatuurilähedasel temperatuuril ülijuhtivaks olekuks, mida nimetatakse kõrgtemperatuuriliseks ülijuhtivuseks.
1986. aastal avastati vaskoksiididel (kupraatidel) põhinevad kõrgtemperatuurilised ülijuhid (HTSC) ja mõne aastaga tõusis kriitiline temperatuur umbes 120 K-ni. Nendel ainetel on aga väga keeruline elektrooniline struktuur, mistõttu on see ülimalt keeruline. mõista, kuidas üleminek ülijuhtivasse olekusse, ilma milleta on kõrgematel temperatuuridel töötavate ülijuhtide arendamine võimatu. Sellest ajast alates on selle probleemi uurimiseks tehtud keerukaid katseid peaaegu 30 aastat.
Eelkõige avastati, et HTSC-de ülijuhtivuse seisundile eelneb olek, mida nimetatakse "pseudogap-faasiks". Seda terminit seostatakse aines olevate elektronide energiaspektri tunnusega (nii nimetatakse aatomi elektronide lubatud energiatasemete diskreetset kogumit). Madala energiaväärtusega elektronid asuvad valentsribas, suurema energiaga elektronid, mis on võimelised kogu aines liikuma, on juhtivusribas. Pooljuhtides ja dielektrikutes on valentsriba ja juhtivusriba eraldatud keelatud energiaväärtuste vahemikuga, mida nimetatakse "vaheks". Voolu loomises osalemiseks peab elektron saama energiat, et hüpata üle pilu valentsribalt juhtivusribale. Seega, mida suurem on vahe laius, seda tugevamad on materjali isoleerivad omadused.
Tühi tekib ka ülijuhtides, kuid sellel on erinev olemus. Ülijuhtivuse ilmnemisel moodustavad Fermi tasemele lähedased elektronid nn Cooperi paarid ja settivad Fermi tasemel ning see tase hakkab eraldama lõhet üksikute elektronide tasemetest. Fermi taseme määrab kriitiline temperatuur.
Selgus, et kriitilistest temperatuuridest kõrgematel temperatuuridel on HTSC-del Fermi taseme lähedal olek väiksema laengukandjate arvuga kui tavalises juhis. Seda nähtust nimetatakse pseudolõheks. Selline tundmatu olek on tekitanud füüsikute seas palju küsimusi. Kuna pseudogap olek eelneb ülijuhtivusele ja eksisteerib sellega osaliselt koos (konkureerib sellega), usuvad teadlased, et selle oleku uurimine aitab avada HTSC saladusi. Viimastel aastatel on sellele küsimusele pühendatud palju töid, millest üks avaldati hiljuti ajakirjas "Teadus" .
Brookhaveni riikliku labori ja Cornelli ülikooli füüsikud suutsid oma välja töötatud ainulaadse ülitäpse skaneeriva tunnelmikroskoobi abil jälgida kupraadi isolaatorist ülijuhiks muutumise üksikasju pseudogap etapi kaudu. Nende eksperimentaalne seadistus võimaldas määrata materjalis elektronide ruumilise asukoha ja liikumissuuna, mis võimaldas avastada kahte uut nähtust.
Algolekus on uuritav kupraat Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ isolaator. Selle muutmiseks HTSC-ks lisati sellele keemiliselt hapnikuaatomeid laengukandjate (aukude) allikana. Seda protsessi nimetatakse dopinguks; täiendavad aatomid on valemis tähistatud kui “+δ”. Füüsikud skaneerisid süstemaatiliselt materjali pika aja jooksul erinevatel dopingutasemetel, et jälgida, kuidas elektronide käitumine ja paigutus muutus materjali ülijuhtivasse olekusse arenedes.
Laengukandjate arvu (dopingutaseme) suurenedes läks materjal dielektrilisest olekust üle pseudogap-faasi. Madala laengukandja tiheduse korral täheldati üsna staatilist pilti. Ilmnes mõne elektroni eksootiline perioodiline staatiline paigutus, mida nimetatakse "tiheduslaineteks" või "ribadeks". Need lained näevad välja nagu "külmutatud" elektronide triibud. Tiheduslained, nagu elektronide liikumine, on piiratud teatud suundadega. Laengute arvu edasisel suurenemisel leidsid teadlased, et tiheduslained kaovad ja materjalis olevad elektronid saavad vabalt liikuda mis tahes suunas. Veelgi enam, see toimub samal dopingutasemel kui puhta ülijuhtivuse tekkimine.
"Esimest korda seostas katse otseselt tiheduslainete kadumist ja sellega seotud nanomõõtmeliste võre defektide kadumist vabalt voolavate elektronide ilmumisega kõigis suundades, mis on vajalikud piiramatu ülijuhtivuse jaoks," ütles juhtiv autor Seamus Davis. "Need uued mõõtmised näitavad meile lõpuks, miks elektronid liiguvad selle materjali salapärases pseudogapi olekus vähem vabalt."
Davis võrdleb vaatlusi jäätunud jõe kohal lendamisega, kus vedela vee voolu tuvastamisel on näha jääst moodustunud staatilisi kilde. Neid lende esineb ikka ja jälle kogu kevade jooksul, kui külmunud veetee järk-järgult sulab. Kuraadis suurendasid teadlased temperatuuri tõstmise asemel dopingu taset, et tiheduslained teatud kriitilises punktis "uputada".
See avastus kinnitab kauaaegset ideed, et just tiheduslained piiravad elektronide voolu ja kahjustavad maksimaalset ülijuhtivust pseudogap-faasis. "Elektronide staatiline paigutus ja sellega seotud nanoskaala kõikumised kahjustavad elektronide vaba voolu - täpselt nagu jää jõel kahjustab vedela vee voolu, " ütleb Davis.
Ülijuhtide praktilist kasutamist on pikka aega takistanud üks kolmest põhitegurist: ülijuhtivuse madalad üleminekutemperatuurid, kriitilise magnetvälja olemasolu ja kriitiline vool.
Kui HTSC-sid kasutati krüoelektroonikas edukalt juba 1987. aastal (magnetekraanid, erinevad õhukese kilega 77 K juures töötavad mikrolainekiirguse vastuvõtjad), siis HTSC-de kasutamine energeetikas on juba järgmise päeva küsimus. 1999. aastal 3. rahvusvahelisel elektrimaterjalide ja -komponentide füüsikaliste ja tehniliste probleemide konverentsil (Moskva, Kljazma, Venemaa, autorid: A.D. Nikulin, A.K. Širokov, A.B. Vorobjova) teatati, et aastal Uuringute kompleksi tulemusena ja VNIINMis läbi viidud arendusega loodi alused vismutsüsteemil põhinevate ühe- ja mitmetuumaliste juhtide loomise protsessile ( Bi-2212 ja Bi -2223), aga ka massiivseid HTSC keraamikal põhinevaid tooteid Y - Ba - Cu - O . Komposiit-HTSC-sid toodetakse ühe tüki pikkusega kuni 250 m, kriitilise vooluga kuni 45 A (77 K, O T). Selliste juhtmete projekteeritud voolutiheduse saavutatud tase- kuni 6 kA/cm 2 (77 K, 0 Ts) võimaldas alustada krüogeensete elektriseadmete tootmist.
Koostöös Moskva Lennuinstituudi, Kurtšatovi Instituudi RNS, Kõrgenergia Füüsika Instituudi ja Elektrimasinate Teadusliku Uurimise Instituudiga valmistati esimesed HTSC juhtidel põhinevate krüomootorite, voolujuhtmete ja magnetpoolide näidised ning testiti neid edukalt. .
Elektroonilises tehnoloogias kasutamiseks töötavad paljud teadusrühmad erinevate meetoditega saadud HTSC õhukeste kilede kasutamise kallal. Näiteks lähenemised 500–2000 MHz sagedustel 500–2000 MHz kvaasi- ja koondunud parameetritega ning väikeste mõõtmetega filtrite arvutamisele ja valmistamisele, HTSC-materjalidele, mille takistuse temperatuuritegur on nullilähedane täpsete madalatemperatuuriliste takistite valmistamiseks, jne uuritakse.
Ülijuhtide kasutamise väljavaated olid üsna selgelt kajastatud Alan M. Wolsky jt artiklis “New Superconductors: Application Prospects” ajakirjas Scientific American 4. aprillil 1989, millest huvitavamad on toodud allpool (joonis 10.18). .
Riis. 10.18. Ülijuhtide rakendused
Ülijuhtivad magnetid. Kasutades tavalist elektromagnetit, milleks on raudsüdamikule asetatud vasktraadi mähis, saab tekitada kuni 2 Tesla suuruseid välju ning vasktraadid taluvad kuni 400 A/cm 2 voolutihedust.
Ülijuhid võimaldavad kaotada vajaduse raudsüdamiku järele, suurendades voolutihedust 100 000 A/cm 2 -ni. Sellised voolutihedused võimaldavad vedela heeliumi temperatuuril (4 K) saada sulameid nioobium-3-st ning tinast ja nioobiumist titaaniga.
Ütrium-baarium-vaskoksiidi puisteproovid taluvad kuni 4000 A/cm 2 voolutihedust vedela lämmastiku temperatuuril (77 K) 1 T väljal. Magnetvälja puudumisel võib voolutihedus ulatuda 17000 A/cm2.
Generaatorid ja elektriliinid. Ülijuhtivad magnetid võivad tõsta suure võimsusega generaatorite efektiivsust 99,5%-ni, kuigi tavaliste generaatorite puhul ulatub see juba 98,6%-ni. Aastane kütusesääst on 1%. Ülijuhtivad elektriliinid võivad muutuda majanduslikult tasuvaks vaid siis, kui nende kaudu edastatakse suuri energiakoguseid.
Elektrihoidla. Vedela lämmastikuga jahutatud ülijuhtivad energiasalvestid maksaksid 3% vähem kui tavalised energiasalvestid ja üldised kapitalikulud väheneksid veel 5%.
Magnetlevitatsioonirongid on kiirrongide ülijuhtide kõige lootustandvam rakendus. 500 km pikkuse rööbastee rajamine läheb maksma 1,5-4,5 miljardit dollarit, rongide endi maksumus ei ületa 10% kogumaksumusest ja jahutussüsteem vaid 1%.
Magnetkülmikutes on magnetoelektrilise efekti abil saavutatud ülimadalad temperatuurid kuni 10–6 K. Sellised süsteemid on olulised kosmose- ja kaitseprogrammide jaoks.
Arvutid ja ülijuhid. Tulevikus võidakse HTSC-le luua superarvuti, mille kiirus on 1000 korda suurem kui praegu projekteeritavatel arvutitel. Lülitusaeg Josephsoni ristmikel (kaks ülijuhti, mis on eraldatud õhukese dielektrikukihiga) ei ületa 10–13 sekundit. T kr=10K ja 10 -14 s materjali puhul T kr=100K.
1962. aastal G . B. Josephson ennustas teoreetiliselt nõrga ülijuhtivuse mõju, mis on kinnituseks, et ülijuhtivus on kvantnähtus. Josephsoni efektid, nagu ka magnetvoo kvantimise efekt, näitavad, et ülijuhtivate voolukandjate – Cooperi paaride vahel on järjekindel koherentne käitumine ja tugev faasikorrelatsioon. Josephson näitas, et ülijuht-isolaator-ülijuht kilestruktuuridega tunnelikatsetes peaks eeldama Cooperi paaride lekkimist läbi dielektrilise kihi paksusega 10–20 A. Tunnelvoolu võib täheldada ka siis, kui tavaline metall ja ülijuht on üksteisest eraldatud kontaktis. õhukese mittejuhtiva kihiga.
Seal on statsionaarsed ja mittestatsionaarsed Josephsoni efektid. Kell statsionaarne efekt elektrivälja puudumisel liigub ülijuhtiv vool läbi dielektriku, kui selle paksus on suurusjärgus üks kuni kaks nanomeetrit. See tähendab, et Cooper paarib tunneli ühelt elektroodilt teisele, põhjustamata pingelangust. Tunneli voolu läbimine selles režiimis toimub seni, kuni selle tihedus ületab teatud kriitilise väärtuse, mis on tunneli kontaktile iseloomulik. Iga magnetväli mõjutab seda ülijuhtivat voolu ja muudab selle nulliks, kui kogu magnetvoog dielektrilises pilus on võrdne vookvantide täisarvuga F 0 . Josephsoni vool sõltub avaldise järgi magnetväljast
|
|
(10. 2 9) |
Kus I– vool, olenevalt kontakti omadustest ja väljast sõltumatu, Ф 0 – kogu magnetvoog tunneli kontaktis.
Mittestatsionaarne Josephsoni efekt on see, et kui tunneli alalisvoolu tihedus ületab kriitilist väärtust, siis kontaktil lisaks elektripinge konstantsele komponendileV, ilmub ka nurksagedusega kõrgsageduslik vahelduvvool w , ja
|
(10.30) |
1 mV kontaktpinge korral on Josephsoni vahelduvvoolu sagedus 4,85· 10–1 s–1 , mis vastab elektromagnetilisele kiirgusele lainepikkusega 600 mikronit. Josephsoni katsed klassikaliste ülijuhtidega näitasid, et elektronid seostuvad Cooperi paarideks ja täidavad ühe kvantoleku. Josephsoni efekte kasutatakse instrumentide valmistamisel. Nende baasil on loodud.- SQUID-id (lühend ingliskeelse nimetuse esitähtedest), mida kasutatakse nõrkade magnetväljade mõõtmiseks kuni 10 - 15 T kui mikrolainekiirguse vastuvõtjad ja mitmed teised mikroelektroonika ja ülijuhtivad krüoelektroonika seadmed. SQUID-id on loodud 77 K juures töötava HTSC keraamika baasil. Josephsoni ristmikuefektide kasutamine uue põlvkonna ülijuhtivate arvutitoodete ja muude elektroonikaseadmete (SQUID) (ülijuhtivate kvanthäirete detektor) jaoks on paljutõotav. SQUIDi abil saate mõõta pingelangust kuni 10 -18 V, voolutugevust 10 -18 A (mitu elektroni sekundis) ja magnetvälju alla 10 -14 Tesla. Sellise tundlikkuse analooge pole. Uued ülijuhid võimaldavad reguleerida sagedusi kuni 10-12 Hz (kvantpiiri lähedal). Tavaliste seadmete tundlikkus ei ületa 10 10 Hz. SQUIDide rakendamine - magnetoentsefalograafia, mäluelemendid. SQUIDe kasutavad füüsikud kvarkide, magnetmonopoolide, gravitonide uurimiseks, geoloogid nafta, vee ja mineraalide otsimiseks; allveelaevade tuvastamiseks töötatakse välja detektoreid.
Mitte kaua aega tagasi pakkus kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse (HTSC) nähtus huvi ainult teadlastele. Kuid täna on elektriseadmete turule sisenemas HTSC-l põhinevad äriliselt tulusad tooted, sealhulgas Venemaal toodetud. HTSC võib teha läbimurde jõuülekandetehnoloogiates.
HTSC pole üldse kuum
Kahekümnenda sajandi alguses avastati, et paljudele metallidele ja sulamitele on iseloomulik ülijuhtivus, st võime omada nulltakistust absoluutse nulli lähedasel temperatuuril (umbes –270 °C). Pikka aega sai ülijuhte kasutada ainult vedela heeliumi temperatuuril, mis võimaldas luua kiirendiseadmeid ja magnetresonants tomograafid.
1986. aastal avastati ülijuhtivus temperatuuril umbes 30K, mis pälvis Nobeli preemia, ja 1990. aastate alguses. Ülijuhtivust oli võimalik saavutada juba 138K juures ja ülijuhina kasutati mitte metalle, vaid oksiidühendeid.
Keraamilisi materjale, millel on nulltakistus temperatuuril, mis on kõrgem kui vedela lämmastiku temperatuur (77 K), nimetatakse kõrgtemperatuurilisteks ülijuhtideks (HTSC). Kui aga teisendame Kelvinid meile tuttavateks Celsiuse kraadideks, saame aru, et me räägime mitte liiga kõrgetest temperatuuridest, näiteks umbes miinus 169–200 ° C. Isegi karm Venemaa talv ei suuda selliseid tingimusi pakkuda.
Teadlaste meelt erutab idee leida ülekantavaid materjale ülijuhtivuseni olek toatemperatuuril (293K). Teoreetiliselt on selline võimalus olemas. Mõnede aruannete kohaselt tuvastati ülijuhtivad omadused isegi üksikutel grafiiditeradel pärast eritöötlust. Tänapäeval peetakse nanotehnoloogia valdkonna üheks peamiseks uurimisülesandeks toatemperatuuriliste ülijuhtide (RTSC) otsimist. Kuid mitte ainult praktiline rakendus, vaid ka CTSC usaldusväärne eksperimentaalne kinnitus jääb homseks küsimuseks. Tänapäeva elektrienergiatööstus valdab kõrge temperatuuriga ülijuhtide kasutamist.
Kõrgtemperatuuril ülijuhtivusel põhinevad seadmed nõuavad jahutamist vedela lämmastikuga. Tööstusekspertide sõnul on see suhteliselt odav ja mugav külmutusagens, mis tagab 77K temperatuuri ja võimaldab ellu viia praktilisi projekte.
Ülijuhtivuse eelised
Ülijuhtivust saab kasutada (ja seda juba kasutatakse) erinevates valdkondades. Seda kasutati esmakordselt suure väljaga magnetite loomiseks. Ülijuhtide abil on võimalik saavutada magnetlevitatsioon, mis võimaldab kiirrongidel liikuda sujuvalt, ilma müra ja hõõrdumiseta. Luuakse laevadele mõeldud HTSC elektrimootoreid ja tööstus, millel on võrdse võimsusega oluliselt väiksemad kaalu ja suuruse parameetrid. Ülijuhtivus on huvitav mikroelektroonika ja arvutitehnoloogia seisukohast. Madala temperatuuriga ülijuhte kasutatakse meditsiinilistes diagnostikaseadmetes (tomograafides) ja isegi sellistes eksootilistes "megateaduslikes" projektides nagu suur hadronite põrkur ja rahvusvaheline termotuumareaktor.
Kõrgtemperatuuri ülijuhtivus on seotud lootusega ületada globaalne energiadilemma, mis on ühelt poolt seotud energiatarbimise pideva suurenemisega nii olevikus kui ka tulevikus, ning teiselt poolt, vajadusega süsinikdioksiidi heitkoguseid radikaalselt vähendada, et vältida kliimamuutusi. Sisuliselt toob HTSC välja ju tavalised seadmed elektri tootmiseks ja edastamiseks põhimõtteliselt tõhususe osas uus tase.
Ülijuhtide üks ilmsemaid rakendusi on elektri edastamine. HTS-kaablid suudavad edastada märkimisväärset võimsust minimaalse ristlõikega, see tähendab, et nende läbilaskevõime on teistsuguses järjekorras kui traditsioonilistel kaablitel. Kui vool läbib ülijuhti, siis soojust ei teki ja kadusid praktiliselt pole, mis lahendab jaotusvõrkude põhiprobleemi.
Generaatorid tänu mähistele valmistatud ülijuhtivast materjalid, mis pakuvad tohutuid magnetvälju, muutuvad palju võimsamaks. Näiteks Siemensi kontsern on ehitanud kolm HTSC generaatorit võimsusega kuni 4 MW. Võrreldes sama võimsusega tavalise generaatoriga on masin kaks korda kergem ja väiksem. Samuti näitas HTSC generaator suuremat pingestabiilsust koormuse muutumisel ja paremat jõudlust reaktiivvõimsuse tarbimise osas.
Tänapäeval arendatakse maailmas aktiivselt kõrgtemperatuursel ülijuhtivusel põhinevaid tuulegeneraatoreid. Kasutades HTSC mähised võimaldavad luua 10 MW HTSC generaatoreid, mis on 2–4 korda kergemad kui tavalised.
Perspektiivne valdkond ülijuhtide laialdaseks kasutuselevõtuks on energiasalvestid, mille roll on suur ka nüüdisaegsete taastuvaid energiaallikaid kasutavate energiasüsteemide arendamise seisukohalt. Isegi tuttavad elektriseadmed, nagu trafod, omandavad tänu HTSC-le kvalitatiivselt uued omadused.
Ülijuhtivus võimaldab luua selliseid ebatavalisi seadmeid nagu lühisevoolu piirajad, mis piiravad lühise ajal voolu täielikult automaatselt ja automaatselt lülitatakse sisse, kui lühis on eemaldatud.
Teise põlvkonna lint
Millised neist paljutõotavatest ideedest on juba ellu viidud ja kelle jõupingutustega? Kõigepealt tuleb märkida, et täna pakub turg esimese ja teise põlvkonna kõrge temperatuuriga ülijuhte (HTSC-1 ja HTSC-2). Seni toodetud toodete mahu poolest on VTSP-1 endiselt võidukas, kuid ekspertide jaoks on ilmne, et tulevik ülijuhtide jaoks teine põlvkond. See on tingitud asjaolust, et HTSC-2 ülijuhtide disainis on üle 70% hõbedast valmistatud maatriks.
Üks peamisi Venemaa ettevõtteid, mis teise põlvkonna ülijuhtide teemal töötab, on SuperOx CJSC. See sai alguse Lomonossovi Moskva Riikliku Ülikooli seinte vahelt, kus keemiateaduskonna teadusrühm töötas ülijuhtide õhukeste kilede sadestamise tehnoloogia kallal. 2006. aastal käivitati kogutud teadmistele tuginedes kommertsprojekt 2. põlvkonna HTSC juhtmete kodumaise tootmise loomiseks.
2011. aastal laiendati SuperOxi huvisfääri tihedas koostöös vastloodud ettevõttega SuperOx Japan LLC. Loodi piloottootmisliin, mis võimaldab toota HTSC traati kriitilise vooluga kuni 500 A/cm laiusega. Alates 2011. aastast on SuperOx-Innovationsi ettevõte ka Skolkovo elanik, kus ta viib läbi rakendusuuringuid, mille eesmärk on optimeerida teise põlvkonna HTSC lintide tehnilisi omadusi ning arendab erinevaid tehnoloogiaid nende materjalide tootmiseks. 2013. aastal alustati Moskva Slava tehnopargis VTSP-2 lindi tootmist.
"Meie toode, teise põlvkonna ülijuhtiv teip, on spetsiaalsest kõrgetele temperatuuridele vastupidavast roostevabast terasest valmistatud põhimik, mis ei kaota õhukeste kilede pealekandmisel oma mehaanilisi omadusi," ütleb SuperOx JSC juhtivspetsialist Vadim Amelichev. - Spetsiaalsete meetodite abil kantakse sellele substraadile puhveroksiidi kihid ja funktsionaalse kihina gadoliinium-baariumkupraadi kile. Seejärel kaetakse see struktuur õhukeste hõbeda või vase kihtidega ja kasutatakse sellisena. ülijuhtimises seadmeid.
Selle materjali, mille kile paksus on vaid üks või kaks mikronit, voolutugevus on umbes 500 A 1 mm² ristlõike kohta, st sadu kordi suurem kui tavalisel vaskkaablil. Sellest lähtuvalt on see lint ideaalne rakenduste jaoks, kus on vaja suurt voolu. Peamised kasutusvaldkonnad on kaablid tugevate voolude jaoks, magnetid tugevate väljade jaoks.
SuperOxil on VTSP-2 lindi jaoks täielik tootmistsükkel. Selle uuendusliku toote müük algas 2012. aastal ja nüüd tarnitakse materjali mitte ainult Venemaale, vaid ja eksporditudüheksa riiki, sealhulgas Euroopa Liit, Jaapan, Taiwan ja Uus-Meremaa.
"Maailmas pole palju VTSP-2 lindi tootjaid," selgitab Vadim Amelichev. - Ameerikas on kaks ettevõtet, ettevõtted Lõuna-Koreas ja Jaapanis. Euroopas ei tooda keegi peale meie sellist linti tööstuslikus mastaabis. Meie linti testiti paljudes uurimiskeskustes ja see kinnitas selle konkurentsivõimet selle omadused."
Uue tööstusharu arendamine
"Vaatamata asjaolule, et kõrgtemperatuuriline ülijuhtivus on ilmunud üsna hiljuti, uuritakse selle tehnoloogias rakendamise küsimusi intensiivselt tehnoloogiliselt maailma arenenud riigid,“ ütleb Viktor Pantšõrnõi, tehnikateaduste doktor, Vene Föderatsiooni AES täisliige, Venemaa superjuht JSC arendusdirektor, „Meie riigis Venemaa presidendi alluvuses komisjoni raames. Moderniseerimise föderatsioon ja tehnoloogiline Venemaa majanduse arendamiseks algatati prioriteetvaldkonnas „Energiatõhusus“ projekti „Innovatiivne energia“ raames projekt „Superjuhtide tööstus“.
Seda ülijuhtide tööstuse projekti koordineerib Rosatomi osariigi korporatsiooni loodud Venemaa Superconductori ettevõte. Viieaastase perioodi jooksul 2011–2015 kavatsevad nad luua konkurentsivõimelisi tehnoloogiaid kõrge temperatuuriga teise põlvkonna ülijuhtide tootmiseks, pikkade (kuni 1000 m) HTSP-2 ribajuhtmete katsetootmiseks, samuti prototüüpide väljatöötamiseks. HTSP-2 juhtmetel põhinevad seadmed elektrienergiatööstusele. Need on generaatorid suure võimsusega ja voolu piirajad (COT) ja kineetilise energia salvestusseadmed (KNE), samuti võimsad voolujuhtmed magnetsüsteemidele, induktiivenergiasalvestitele (SPIN), trafodele, suure võimsusega elektrimootoritele.
Alates 2016. aastast on plaanis käivitada HTSC-2 juhtmete ja mitmete nendel põhinevate seadmete seeriatootmine. Selle projektiga seotud töösse on kaasatud umbes 30 organisatsiooni, sealhulgas ülikoolid, akadeemilised ja tööstuse uurimiskeskused, disainibürood ja tööstusorganisatsioonid, eelkõige JSC VNIINM, JSC NIIEFA, JSC NIITFA, JSC GIREDMET, JSC "NIFHI", JSC TVEL, JSC "Tochmash" ja väljaspool seda riiklikus uurimiskeskuses "Kurchatov Institute", ENIN neid. Kržižanovski, FSBEI MAI, NRNU MEPhI, SUAI, JSC Rosseti, JSC STC FGC UES, JSC SuperOx, JSC VNIIKP, JSC NIIEM, OKB Yakor jne.
„Struktuuriliselt koosneb projekt üheksast paralleelselt täidetavast ülesandest,“ selgitab Viktor Pantsyrny. - Aastatel 2011–2013 õnnestus luua esimesed kodumaised töökorras ülijuhtivate masinate prototüübid - 50 kW mootor ja generaator, 0,5 MJ kineetilise energia salvestusseade, 3,5 MW ülijuhtiv lühisvoolu piiraja 3,5 kV elektrivõrkudele, 10 kVA ülijuhtiv trafo, voolujuhtmed magnetsüsteemide jaoks, läbides voolu 1500A.
Samuti on loodud VTSP-2 ribajuhtmete täiesti kodumaise tootmise tehnoloogia alused, alustades toorainest ja lõpetades valmistoodete jälgimise meetoditega. Leiti elementaarsed tehnoloogilised lahendused, mis võimaldasid liikuda edasi täismahus energiaseadmete prototüüpide loomiseni. Seega on praegu töö 200 kW mootori loomisel lõpetamisel.
Tänu HTSP-2 mähiste kasutamisele selline mootor paigaldamisel elektriauto jaoks(elektribuss) suurendab akulaadimiste vahel läbisõitu 15–20%. Valmistatud on ülijuhtiv lühisvoolupiiraja võimsusega üle 7 MVA, mis on katsetamiseks ettevalmistamisel raudteetranspordivõrgus. Lõpetamisel on tuuleelektrijaamades kasutamiseks lubava 1 MVA generaatori tootmine.
Unikaalsete Rosatomi tehnoloogiate põhjal luuakse kineetilise energia salvestusseade ülijuhtivusega hoorataste vedrustus, mille energiaintensiivsus on üle 7 MJ. Märkimist väärib induktiivse energiasalvesti väljatöötamine, mis suudab ülilühikese ajaga vabastada kogunenud energiat kuni mitu MJ. Lõppjärgus on ka töö 1000 kVA võimsusega ülijuhtivatrafo loomisel.
“Lisaks on projekti kõige olulisem tulemus võimsa eksperimentaali loomine ja tehnoloogiline baasi, samuti ülijuhttehnoloogiate valdkonna kõrgelt kvalifitseeritud spetsialistide meeskondade moodustamist, järeldab Viktor Pantsyrny. - Sel aastal käivitatakse Kurtšatovi Instituudi uurimiskeskuses terviklik tootmis- ja uurimisliin HTSC-2 ribaülijuhtide tootmiseks laserablatsiooni teel. Liinist saab tööriist HTSC materjalide teaduse ja tehnoloogia arendamiseks, kasutades maksimaalselt ära Kurchatovi NBICS keskuse võimsat teaduslikku infrastruktuuri. See võimaldab intensiivselt arendada paljulubavat kõrgtehnoloogilist valdkonda kommertsialiseerimise suunasülijuhtivad tehnoloogiad".
Vahelduvvoolu kaablid
Ei saa mitte rääkida Venemaa projektist luua ülijuhtiv kaabel pikkusega 200 m. Nad tegelesid kaabli loomisega. OJSC "Energia instituut neid. G.M. Kržižanovski"(ENIN), OJSC "Ülevenemaaline Kaablitööstuse Teadusliku Uurimise Instituut (VNIIKP), Moskva Lennuinstituut ja OJSC elektrienergiatööstuse teadus- ja tehnikakeskus. Arendust alustati 2005. aastal, 2009. aastal loodi prototüüp, mida testiti edukalt spetsiaalselt loodud unikaalsel katseobjektil.
HTSC kaabli peamised eelised on suur voolukoormus, väikesed kaod, keskkonnasõbralikkus ja tuleohutus. Lisaks ei ole sellise kaabli kaudu suure võimsuse edastamisel pingel 10–20 kV vahealajaamu vaja.
HTSC-kaabel on keeruline mitmekihiline struktuur. Keskne tugielement on valmistatud roostevabast terasest spiraali kujul, mida ümbritseb vask- ja roostevabast terasest juhtmete kimp, mis on mähitud vasklindiga. Keskelemendi peale asetatakse kaks kihti ülijuhtivaid linte ja peale kõrgepinge isolatsioon. Sellele järgneb ülijuhtiva ekraani pealekandmine, roostevabast terasest teibiga mähitud painduvate vasklintide kiht. Iga kaablisüdamik tõmmatakse oma 200 m pikkusesse painduvasse krüostaati.
Selle mitmekomponendilise struktuuri loomist raskendab asjaolu, et HTSC lint on äärmiselt tundlik.Põhiosa tehnoloogilistest toimingutest viidi läbi JSC VNIIKP baasil. Kõrgepinge isolatsiooni tootmiseks transporditi kaabel aga Permi Kamsky Kabeli tehasesse.
"Teostasime HTSC-kaabli paberisolatsiooni paigaldamise toimingu," ütleb Kamsky Cable LLC peatehnoloogi asetäitja Aleksander Azanov. - Kasutati unikaalseid seadmeid, mida varem kasutati õliga täidetud kõrgepingekaablite tootmiseks. Seetõttu ei säästetud ressursse poolfabrikaadi toimetamisel Moskvast Permi ja tagasi. Ja ma arvan, et praegu on selliste spetsiaalsete kaablite tootmiseks soovitatav kasutada unikaalseid seadmeid, mis on paigaldatud erinevatesse tehastesse, mitte korraldada tootmist ühes kohas.
Lähitulevikus on selle kaabli seeriatootmise korraldamine meie või mõnes teises tehases ebatõenäoline, kuna liinide paigaldamine ülijuhtidega Seda toodetakse väga harva ja väga lühikeste pikkustega (mitte rohkem kui 1 km). Selle peamiseks põhjuseks on HTSC kaablite kulu ja nende hooldus (vajalik on pidevalt vedelat lämmastikku läbi kaabli pumbata).“
DC kaablid
Tänapäeval jätkuvad arengud HTSC kaablite loomise vallas. JSC FGC UES ja JSC teadus- ja tehnikakeskus FGC UES viivad läbi ühist uurimis- ja arendustegevust "Kõrgetemperatuurilise ülijuhtiva alalisvoolu kaabelliini loomine pingele 20 kV vooluga 2500 A ja pikkusega kuni 2500 m." Tulevase uuendusliku energiaülekandesüsteemi esimene prototüüp - kaks 30 m pikkust bipolaarset HTSC kaablit, mis on välja töötatud FGC UES teadus- ja tehnikakeskuses ja toodetud Irkutskkabeli tehases - läbis praegused testid edukalt ja kõrgepinge katsed 2013. aastal
2014. aasta novembris toimusid uuendusliku jõuülekande konversiooniseadmete komplekti katsetused võimsusega 50 MW kasutades mitmesaja meetri pikkune ülijuhtiv kaabel. HTSC-kaabli kasutamine suurte linnade toiteallikaks võimaldab vähendada maaeraldiste ja prügi pindala ehitusestõhuliine ja vähendada elektrikadusid.
FGC UES-i uurimis- ja arenduskeskus märgib, et HTSC-l põhineval alalisvoolukaabliliinil on vahelduvvooluliiniga võrreldes mitmeid eeliseid. See mitte ainult ei võimalda teil edastada võimsust minimaalsete kadudega, vaid ka piirata lühisvoolu, reguleerida reaktiivvõimsust, juhtida võimsusvoogusid ja tagada selle tagasikäik.
"Tore on teada, et Venemaa HTSC-kaablite arendajad on esirinnas," ütleb Vitali Võssotski, tehnikateaduste doktor, Venemaa Teaduste Akadeemia akadeemik, teadusliku suuna direktor - Head. JSC "VNIIKP" ülijuhtivate juhtmete ja kaablite osakond. - Näiteks 200 m kaabel oli aastatel 2009–2013 Euroopa suurim ja alles 2014. aastal paigaldati Saksamaal 1 km kaabel. Aga see rekord purustatakse ka Peterburi 2,5 km pikkuse kaabli katsetamisega.»
Riigi toetusest erainvesteeringuteni
Eksperdid ennustavad ülemaailmse ja Venemaa ülijuhtide turu üsna aktiivset arengut. Nii märgib SuperOx CJSC direktorite nõukogu esimees Andrey Vavilov, et globaalse HTSC turu maht kahekordistub iga aastaga ja jõuab 2017. aastal 1 miljardi dollarini, samas kui Venemaa Föderatsiooni osa maailmaturul on hinnanguliselt ligikaudu 10%.
"Elektrienergiatööstuse ülijuhtivuse turg peab arenema, kuna energiatarbimise tihedus kasvab pidevalt ja ilma ülijuhtivuseta on võimatu rahuldada kasvavaid nõudmisi," ütleb Vitali Võssotski. - Energeetikatöötajad on aga kõige uue suhtes väga konservatiivsed ja isegi ja kallis. Seetõttu on praegu peamiseks ülesandeks uute projektide edendamine valitsusorganisatsioonide toel. See on ülijuhtivate seadmete töökindluse ja tõhususe tõend. Uute projektide tekkimine loob nõudluse HTSC lintide tootmise järele, suurendab nende toodangut ja alandab hindu, mis aitab taas kaasa turu arengule.
„Praegusel etapil on kõigi püstitatud ülesannete terviklik lahendus ilma riigi täieliku abita võimatu, kuid iga aastaga kasvab HTSC tehnoloogia investeerimisatraktiivsus, mis võimaldab suure kindlusega oodata erainvesteeringute sissevoolu. selle edasises kaubanduslikus arengus,” nõustub kolleeg Viktor Pantsyrny.
Ekspertidel on hea meel, et üldiselt valitseb riigi tasandil arusaam ülijuhtivate tehnoloogiate olulisusest.
„Ülijuhtide tööstuse areng on riikliku tähtsusega ja on ülemineku oluline osa uuenduslikuks riigi majanduse arengutee. Seda tõdeti hiljuti Vene Föderatsiooni Föderatsiooni Assamblee Riigiduuma energeetikakomitee esimehe juures asuva nõuandekomisjoni laiendatud koosolekul, kus eelkõige märgiti, et liidu majanduslik ja poliitiline sõltumatus. Venemaa, on strateegiliselt vajalik, et kodumaine tootmine oleks madal ja kõrge temperatuurülijuhtivad materjalid, ülijuhtivad seadmed ja nendel põhinevad tooted,” teatab Viktor Pantsyrny.
Tuleviku plaanid
Palusime ekspertidel hinnata, millised ülijuhtivuse rakendused on nende hinnangul kõige lootustandvamad ja kus on lähiaastatel oodata tehnoloogia ärilist kasutamist.
„Nagu kogu maailmas, on ülijuhtivate kaablite projektid Venemaal praegu kõige arenenumad. Nad peavad arenema ja loodame, et arenevad,” ütleb Vitali Võssotski. - HTSC-l põhinevad ülijuhtivad kaablid on juba puhtalt kaubanduslik toode, kuigi need on endiselt üsna kallid. See muutub odavamaks, kui selle laialdane kasutuselevõtt algab ja vaja on märkimisväärne kogus HTSC linte, mis vähendab kulusid nende toodang.
Samas minu arvates kõige vajalikum ja nõutud elektrienergiatööstuse jaoks on ülijuhtivad lühisevoolu piirajad pingetasemetele 100 kV ja üle selle. Selle pingeklassi tavapäraseid seadmeid lihtsalt pole ja ülijuhtivuseta ei saa lihtsalt hakkama. Selliseid projekte meie riigis juba arutatakse. Lisaks on minu arvates head väljavaated tuulegeneraatorite HTSC masinatel. Nad lubavad ühe generaatori kaalu olulist (mitu korda) vähenemist ja ühiku võimsuse suurenemist.
„Täna on ülijuhtivate toodete turu arengu tõukejõuks elektrienergiatööstus (jõukaablid ja voolupiirajad),“ ütleb Andrei Vavilov. "Kuid märkimisväärset potentsiaali on ka paljudes teistes tööstusharudes. Näiteks praegu töötatakse välja võimalusi HTSC-traadi kasutamiseks teaduses, isotoopide tootmises ja meditsiinis kasutatavas kiirenditehnoloogias madala temperatuuriga ülijuhtide tõhusa asendajana. Venemaal on selles valdkonnas suured plaanid, eelkõige kaasaegse NICA põrkeseadme ehitamiseks Dubnasse.
Unikaalsete veoomadustega, väikese massi ja kaaluga tõhusate pöörlevate masinate loomisel on suur potentsiaal. Sellised mootorid on nõutud eelkõige suurte laevade liikumise tagamiseks ning kasutada saab generaatoreid taastuvas energiat.
Magnetlevitatsiooni nähtus avab tänapäeval täiesti uusi väljavaateid. Need ei ole ainult transpordisüsteemid, vaid ka kontaktivabad manipulaatorid, aga ka vastupidavad laagrid, millel on lai valik rakendusi.
"Kõrgetemperatuurilise ülijuhtivuse edasisel arendamisel on mitte ainult tugev multiplikatiivne efekt elektrienergiatööstuses, aga ka teistes tööstusharudes, nagu kosmose-, lennundus-, merendus-, autotööstus ja raudtee transport, masinaehitus, metallurgia, elektroonika, meditsiin, kiirenditehnoloogia. Ülijuhtivustehnoloogiad on olulised ka riigi kaitsevõime tugevdamiseks,“ on Viktor Pantsõrnõi veendunud.
Ühesõnaga, ülijuhtivusel põhinevate tehnoloogiate edasiarendamine avab inimkonnale tohutuid väljavaateid ja seda juba lähitulevikus.