Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe(HTSC, Nadprzewodniki wysokotemperaturowe lub High-T c) - nadprzewodnictwo w stosunkowo wysokich temperaturach. Historycznie rzecz biorąc, wartością graniczną jest temperatura 30 K, ale wielu autorów HTSC ma na myśli nadprzewodniki o temperaturze krytycznej powyżej temperatury wrzenia azotu (77 K lub -196 ° C).
Podobnie jak „zwykłe” nadprzewodnictwo, zjawisko to polega na całkowitej utracie oporu elektrycznego przez materiał po schłodzeniu poniżej temperatury krytycznej charakterystycznej dla danego materiału. A ich szczególne znaczenie polega na możliwości praktycznego zastosowania z tańszymi i wygodniejszymi chłodnicami (ciekły wodór, azot) niż ciekły hel pod ciśnieniem wymagany w klasycznych nadprzewodnikach.
Od 2017 roku zjawisko jest najszerzej znane i badane w rodzinie ceramiki nadprzewodzącej (tlenki mieszane) o wspólnej cesze strukturalnej - warstwach składników oddzielonych warstwami miedzi i tlenu. Nazywa się je również nadprzewodnikami miedzianowymi. Temperatura przejścia w nadprzewodnictwo, jaką można osiągnąć w niektórych związkach z tej rodziny, jest najwyższą spośród nadprzewodników stabilnych przy normalnym ciśnieniu i temperaturze.
Fabuła
Pierwszymi, którzy odkryli zjawisko nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w związku La 2-x Ba x CuO 4 o temperaturze krytycznej 35 K, byli Karl Muller i Georg Bednorz, pracownicy działu naukowego IBM Corporation, w 1986 roku. Za to odkrycie w 1987 roku natychmiast otrzymali Nagrodę Nobla. Co ciekawe, ceramika mieszana tego typu (perowskity AMO3) była jednocześnie aktywnie badana w ZSRR.
W 1987 roku odkryto nadprzewodnik YBCO (tlenek itru i baru i miedzi) o temperaturze krytycznej 92 K. Był to pierwszy nadprzewodnik, którego temperatura krytyczna była wyższa niż temperatura wrzenia ciekłego azotu (77 K).
Obecnie (2015 rok) H 2 S (siarkowodór) pod ciśnieniem 150 GPa ma rekordową temperaturę krytyczną T c = 203 K.
W 2018 roku rekord nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego został pobity dwukrotnie:
Inny
Ograniczone praktyczne zastosowanie ceramicznych HTSC wynika z faktu, że pole magnetyczne wytwarzane przez prąd przepływający przez HTSC, gdy jest duże, prowadzi do zniszczenia własnej warstwowej struktury przewodnika, a w konsekwencji do nieodwracalnej utraty właściwości nadprzewodzących. Co więcej, w przypadku produktów nadprzewodzących (zarówno HTSC, jak i klasycznych) takie naruszenie w jednym miejscu jest wystarczające, ponieważ powstała wada natychmiast staje się obszarem o dużym oporze, w którym wydziela się ciepło, co powoduje sekwencyjne nagrzewanie sąsiednich obszarów, tj. lawinowe wyjście ze stanu nadprzewodzącego całego przewodnika.
Stany normalne (i nadprzewodzące) wykazują wiele wspólnych cech między różnymi składami miedzianów; wielu z tych właściwości nie można wyjaśnić w ramach teorii BCS. Obecnie nie ma jasno określonej teorii nadprzewodnictwa w tlenkowych HTSC; jednakże problem ten doprowadził do wielu interesujących wyników eksperymentalnych i teoretycznych.
Głównym celem badań w tym obszarze są HTSC – materiały pracujące co najmniej w temperaturach powszechnych na Ziemi (ok. -30°C), a maksymalnie w temperaturze pokojowej. Ich powstanie doprowadziłoby do rewolucji w energetyce i elektronice, gdzie istotnym problemem są straty rezystancji przewodów.
Międzymetaliczne
Notatki
Spinki do mankietów
Literatura
- Maksimov E. G. Problem nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Stan obecny // Uspekhi fizicheskikh nauk, 2000, t. 170, nr 10, s. 200-200. 1033-1061.
- Sadovsky M.V. Pseudoprzerwa w nadprzewodnikach wysokotemperaturowych // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2001, t. 171, nr 5, s. 2-2. 539-564.
- Aksenov V.L. Neutronografia wysokotemperaturowych nadprzewodników miedzianowych // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, t. 172, nr 6, s. 2-2. 701-705.
- Ponomarev Ya.G. Spektroskopia tunelowa i Andriejewa nadprzewodników wysokotemperaturowych // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, t. 172, nr 6, s. 10-10. 705-711.
- Kopaev Yu.V. Modele nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, t. 172, nr 6, s. 2-2. 712-715.
- Czernoplekow N.A. Stan prac nad wysokoprądowym nadprzewodnictwem stosowanym // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, t. 172, nr 6, s. 2-2. 716-722.
- Belyavsky V.I., Kopaev Yu.V. Uogólnione spojrzenie na naturę nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego (na podstawie materiałów z M2S-HTSC-VII) // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2004, t. 174, nr 4, s. 10-10. 457-465.
- Mitsen K.V., Iwanenko O. M.
Zmiana rycerza
Częstotliwość jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) dla tego samego jądra zależy od tego, czy jądro jest metalem, czy dielektrykiem. Przesunięcie częstotliwości NMR w metalu w porównaniu z dielektrykiem, zwane przesunięciem lub przesunięciem Knighta, wyjaśnia się wysokim prawdopodobieństwem obecności elektronów przewodzących w miejscu jąder. Elektrony te są namagnesowane przez pole zewnętrzne, a całkowite pole magnetyczne w jądrze okazuje się nieco większe niż pole zewnętrzne. Ponieważ podatność magnetyczna normalnych metali jest praktycznie niezależna od temperatury, przesunięcie Knighta w nich jest również stałe.
W nadprzewodnikach przesunięcie Knighta obserwuje się w emulsjach lub stosach cienkich warstw (wielkość cząstek emulsji lub grubość warstw musi być znacznie mniejsza niż d, aby zawarte w nich pole magnetyczne było wystarczająco równomierne). Wielkość przesunięcia poniżej Tk maleje, ale nawet przy T=0 zachowuje swoją wartość końcową, osiągając 75% wartości normalnej. Na pierwszy rzut oka jest to sprzeczne z teorią nadprzewodnictwa. Rzeczywiście, w stanie podstawowym o najniższej energii elektrony łączą się w pary Coopera, których całkowity spin elektronów wynosi zero. Dlatego możliwe jest namagnesowanie układu elektronicznego jedynie poprzez rozbicie par, ale wymaga to skończonej energii. Wynika z tego, że moment magnetyczny nie może zależeć liniowo od pola zewnętrznego, tj. podatność magnetyczna wynosi zero.
Najbardziej przekonujące wyjaśnienie skończonej wielkości przesunięcia Knighta w nadprzewodnikach przy T = 0 wydaje się być następujące. W próbkach o małych rozmiarach elektrony są rozpraszane z granic próbek i granic krystalitów (których rozmiar jest mniejszy lub mniej więcej wielkości próbek). Ze względu na interakcję spin-orbita istnieje pewne prawdopodobieństwo, że spin elektronu zmieni swoją orientację podczas takiego rozpraszania. Dzięki temu układ elektroniczny można namagnesować w słabym polu magnetycznym.
Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe
Zagadnienie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego jest niezwykle istotne z praktycznego punktu widzenia. Ze wszystkich znanych materiałów stop (Nb 3 Al) 4 + Nb 3 Ge ma najwyższą temperaturę przejścia w stan nadprzewodzący; Tk dla niego wynosi ~ 20 0 K. Aby go uzyskać, wymagane jest użycie ciekłego helu. Omawiany wcześniej mechanizm przejścia w stan nadprzewodzący opiera się na oddziaływaniu elektronów poprzez sieć krystaliczną, czyli na wymianie fononów. Z teorii BCS wynika, że Tk jest bezpośrednio związane z natężeniem siły przyciągania powstającej pomiędzy elektronami i jest określone zależnością:
T k = e -1/g, (82)
gdzie i jest temperaturą Debye'a, g jest stałą zależną od siły przyciągania między elektronami i rzędu wielkości nie przekracza S i prawie zawsze jest mniejsza niż S. Przy g = 1/3 maksymalna temperatura krytyczna, jaką można uzyskać dla materiału o u = 500 0 K, wynosi: T k = e -3 = 0,05u ~ 25 0 K. Oczywiście to oszacowanie jest bardzo przybliżone, ale wystarczy zrozumieć, że nie jest możliwe osiągnięcie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego (Tc > 70-100 0 K). Należy podkreślić, że nawet osiągnięcie Tk ~ 25 0 K byłoby niezwykle istotne z praktycznego punktu widzenia, gdyż umożliwiłoby przejście z ciekłego helu na znacznie tańszy ciekły wodór. Zatem, aby zrealizować nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe, należy poszukać innego mechanizmu korelacji elektronów.
Idea nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego (HTSC) w związkach organicznych została wysunięta w 1950 roku. F. Londona i dopiero 14 lat później odpowiedź na tę koncepcję pojawiła się w pracach amerykańskiego fizyka W. Little’a, który wysunął śmiałe założenie, że możliwe są nadprzewodniki o charakterze organicznym, a nie metalicznym. Little w swoim rozumowaniu ważne miejsce przypisał cząsteczkom polimerów, w których głównym łańcuchu występują naprzemiennie wiązania pojedyncze i wielokrotne (chemicy nazywają takie wiązania sprzężonymi). Faktem jest, że każde wiązanie chemiczne łączące atomy to para elektronów należących do obu z nich. W łańcuchu wiązań sprzężonych stopień uspołecznienia elektronów jest jeszcze wyższy: każdy z nich należy jednakowo do wszystkich atomów łańcucha i może się po nim swobodnie poruszać. Korelacja elektronów poruszających się wzdłuż łańcucha odbywa się dzięki polaryzacji tych fragmentów, a nie sieci krystalicznej. Ponieważ masa elektronu jest o kilka rzędów wielkości mniejsza od masy dowolnego jonu, polaryzacja fragmentów elektronów może być silniejsza, a temperatura krytyczna wyższa niż w przypadku mechanizmu tła. Little uważał tę cechę wiązań sprzężonych w głównym łańcuchu cząsteczki polimeru za ważny warunek przejścia do stanu nadprzewodzącego. Rozważał także specjalną strukturę gałęzi głównego łańcucha niezbędną do przejścia. Po opracowaniu projektu swojego polimeru naukowiec doszedł do wniosku: substancja zawierająca takie cząsteczki musi być nadprzewodząca; Co więcej, powinien wejść w ten stan w niezbyt niskiej temperaturze, być może zbliżonej do temperatury pokojowej. Schematyczny model nadprzewodnika organicznego pokazano na rys. 13.
Ryż. 13
Przewodniki wolne od wszelkich strat energii w zupełnie zwyczajnych warunkach zrewolucjonizowałyby oczywiście elektrotechnikę. Pomysł amerykańskiego fizyka został podchwycony w wielu laboratoriach w różnych krajach. Szybko jednak stało się jasne, że polimer wynaleziony przez Little'a nie może przejść w stan nadprzewodzący. Ale entuzjazm zrodzony ze śmiałych pomysłów zaowocował, choć nie tak, jak się początkowo spodziewano. Nadprzewodnictwo odkryto jeszcze poza światem metali. W 1980 roku w Danii grupa badaczy pod przewodnictwem K. Bekgaarda, eksperymentując z substancją organiczną z klasy rodnikowych soli jonowych, przeprowadziła ją w stan nadprzewodzący pod ciśnieniem 10 kilobarów i temperaturą 0,9 stopnia powyżej zera absolutnego. W 1983 r. Zespół radzieckich fizyków, na którego czele stał doktor nauk fizycznych i matematycznych I.F. Szczegolewa, osiągnął przejście z substancji tej samej klasy w stan nadprzewodzący już przy 7-stopniowej skali temperatur bezwzględnych i przy normalnym ciśnieniu. Podczas wszystkich tych poszukiwań i testów karabinek nie został zignorowany przez badaczy. (Karbyn jest substancją organiczną niezwykle rzadką w przyrodzie. Jej budowa to nieskończone liniowe łańcuchy atomów węgla. Zachowuje swoją strukturę po podgrzaniu do 2000 C, a następnie od około 2300 C ulega przegrupowaniu według rodzaj grafitowej sieci krystalicznej.Gęstość karbinu wynosi 1,92,2 g/cm.
(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…))
Teoretyczny model nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego opracowany przez akademika V.L. Ginzburga opiera się na tzw. ekscytonowym mechanizmie oddziaływania elektronów. Faktem jest, że w układzie elektronicznym występują specjalne fale - ekscytony. Podobnie jak fonony, są to kwazicząstki poruszające się po krysztale i niezwiązane z przenoszeniem ładunku elektrycznego i masy. Modelową próbką takiego nadprzewodnika jest folia metalowa ułożona w warstwach dielektryka lub półprzewodnika. Elektrony przewodnictwa poruszające się w metalu odpychają elektrony dielektryczne, to znaczy otaczają się chmurą nadmiernego ładunku dodatniego, co prowadzi do powstania pary elektronów. Ten mechanizm korelacji elektronów przewiduje bardzo wysokie wartości temperatury krytycznej (Tc = 200 K).
Pod koniec 1986 roku ukazał się raport K. Müllera i J. Bednoretza ze Szwajcarii o odkryciu nadprzewodnictwa ceramiki lantan – bar – miedź – tlen w temperaturach przekraczających 30 0 K. Wkrótce z Japonii i USA nadeszły doniesienia o nadprzewodnictwo lantan - stront - ceramika miedź - tlen w temperaturach 40-50 0 K. W ZSRR w laboratorium A. Golovashkina w Instytucie Fizycznym Akademii Nauk ZSRR odkryto, że w itrze- nadprzewodnictwo na bazie ceramiki rozpoczyna się już w temperaturze 120 0 K. Obecnie prowadzone są intensywne poszukiwania nadprzewodników o wyższych temperaturach (być może nawet pokojowej), co doprowadziło już do odkrycia dużej klasy materiałów przechodzących w stan nadprzewodzący w temperaturach azotu. Nadprzewodniki polimerowe są pod tym względem bardzo obiecujące.
Wraz z poszukiwaniem materiałów nadprzewodzących o podwyższonej Tc, w oparciu o efekt parowania elektronów przewodzących przez dodatnio naładowane jony sieciowe, laboratoria na całym świecie aktywnie poszukują innych mechanizmów oddziaływania elektronów, które mogą prowadzić do skuteczniejszego przyciągania elektronów, a w konsekwencji do wytwarzania materiałów nadprzewodzących o znacznie wyższej temperaturze przejścia Tc..
1) W 1957 roku powstała uniwersalna teoria BCS, która dostarczyła fundamentalnego wyjaśnienia zjawiska nadprzewodnictwa.
2) Układ elektroniczny w nadprzewodniku można przedstawić jako składający się z związanych par elektronów (par Coopera) i wzbudzenia w postaci przerwy w parach.
3) Układ elektroniczny będący w stanie nadprzewodzącym oddzielony jest od układu głównego szczeliną energetyczną o szerokości E St.
4) W momencie przejścia w stan nadprzewodzący pojemność cieplna zmienia się gwałtownie.
5) W oparciu o teorię nadprzewodnictwa odkryto zjawisko, które nazwano efektem Josephsona. Polega na przepływie prądu nadprzewodzącego przez cienką warstwę dielektryka oddzielającą dwa nadprzewodniki. Istnieją dwa efekty Josephsona – stacjonarny i niestacjonarny.
6) Strumień magnetyczny w nadprzewodniku jest skwantowany i może przyjmować tylko pewną liczbę dyskretnych wartości.
7) Stan pośredni nadprzewodników typu I zależy od kształtu próbki, jej położenia w zewnętrznym polu magnetycznym i nie zawsze występuje. Stan mieszany nadprzewodników typu II jest właściwością wewnętrzną i pojawia się w próbkach o dowolnym kształcie, gdy tylko pole magnetyczne osiągnie wartość krytyczną.
Amerykańscy fizycy odkryli zachowanie elektronów w tzw. fazie pseudoprzerwy, która poprzedza stan nadprzewodnictwa.
Nadprzewodnictwo to całkowity zanik oporu elektrycznego substancji w kierunku kierowania prądu elektrycznego w temperaturze poniżej temperatury krytycznej. Ogromna wartość praktyczna nadprzewodników polega na braku strat energii elektrycznej w nich podczas przepływu prądu. Jednak ich powszechne stosowanie utrudnia bardzo niska temperatura krytyczna. Dla większości substancji jest ona bliska zeru absolutnego. Do 1986 roku najwyższą temperaturę posiadał stop Nb 3 Ge, dla którego nadprzewodnictwo występowało w temperaturach poniżej 23 K (-250°). Powstał zatem ważny problem naukowy: znaleźć substancje, które w wyższej temperaturze, najlepiej zbliżonej do temperatury pokojowej, przechodzą w stan nadprzewodzący, co nazywa się nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym.
W 1986 roku odkryto nadprzewodniki wysokotemperaturowe (HTSC) na bazie tlenków miedzi (miedzianów), a w ciągu kilku lat temperatura krytyczna wzrosła do około 120 K. Substancje te mają jednak bardzo złożoną strukturę elektronową, co niezwykle utrudnia zrozumieć, jak przebiega przejście do stanu nadprzewodzącego, bez którego rozwój nadprzewodników pracujących w wyższych temperaturach jest niemożliwy. Od tego czasu przez prawie 30 lat prowadzono złożone eksperymenty w celu zbadania tego zagadnienia.
W szczególności odkryto, że stan nadprzewodnictwa w HTSC jest poprzedzony stanem zwanym „fazą pseudoprzerwy”. Termin ten jest powiązany z cechą widma energetycznego elektronów w substancji (jest to nazwa nadana dyskretnemu zbiorowi dozwolonych poziomów energii elektronów w atomie). Elektrony o niskich wartościach energii znajdują się w paśmie walencyjnym, elektrony o wyższej energii, zdolne do poruszania się w całej substancji, znajdują się w paśmie przewodnictwa. W półprzewodnikach i dielektrykach pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa są oddzielone zakresem zabronionych wartości energii zwanym „przerwą”. Aby wziąć udział w tworzeniu prądu, elektron musi zdobyć energię, aby przeskoczyć szczelinę z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Dlatego im większa szerokość szczeliny, tym silniejsze właściwości izolacyjne materiału.
W nadprzewodnikach również powstaje przerwa, ale ma ona inny charakter. Kiedy pojawia się nadprzewodnictwo, elektrony znajdujące się w pobliżu poziomu Fermiego tworzą tzw. pary Coopera i osiadają na poziomie Fermiego, a poziom ten zaczyna oddzielać przerwę od poziomów pojedynczych elektronów. Poziom Fermiego określa się na podstawie temperatury krytycznej.
Okazało się, że w temperaturach powyżej temperatur krytycznych HTSC mają stan z mniejszą liczbą nośników ładunku w pobliżu poziomu Fermiego niż w konwencjonalnym przewodniku. Zjawisko to nazywane jest „pseudoluką”. Ten stan o nieznanej naturze wzbudził wiele pytań wśród fizyków. Ponieważ stan pseudoprzerwy poprzedza nadprzewodnictwo i częściowo z nim współistnieje (konkuruje z nim), naukowcy uważają, że badanie tego stanu pomoże odkryć tajemnice HTSC. W ostatnich latach poświęcono temu zagadnieniu wiele prac, z których jedna została niedawno opublikowana w czasopiśmie "Nauka" .
Fizycy z Brookhaven National Laboratory i Cornell University, korzystając z opracowanego przez siebie unikalnego, precyzyjnego skaningowego mikroskopu tunelowego, byli w stanie prześledzić szczegóły transformacji miedzianu z izolatora w nadprzewodnik poprzez etap pseudoprzerwy. Ich układ doświadczalny umożliwił określenie przestrzennego położenia i kierunku ruchu elektronów w materiale, co umożliwiło odkrycie dwóch nowych zjawisk.
Badany miedzian Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ w stanie początkowym jest izolatorem. Aby przekształcić go w HTSC, dodano do niego chemicznie atomy tlenu jako źródło nośników ładunku (dziur). Proces ten nazywa się domieszkowaniem, dodatkowe atomy oznaczono we wzorze jako „+δ”. Fizycy systematycznie skanowali materiał przez długi czas przy różnych poziomach domieszkowania, aby obserwować, jak zmieniało się zachowanie i rozmieszczenie elektronów w miarę ewolucji materiału w stan nadprzewodzący.
Wraz ze wzrostem liczby nośników ładunku (poziomu domieszkowania) materiał przechodzi ze stanu dielektrycznego do fazy pseudoprzerwy. Przy małej gęstości nośnika ładunku zaobserwowano dość statyczny obraz. Pojawił się egzotyczny okresowy układ statyczny niektórych elektronów, zwany „falami gęstości” lub „paskami”. Fale te wyglądają jak paski „zamrożonych” elektronów. Fale gęstości, podobnie jak ruch elektronów, są ograniczone do określonych kierunków. W miarę dalszego wzrostu liczby ładunków naukowcy odkryli, że fale gęstości zanikają, a elektrony w materiale mogą swobodnie poruszać się w dowolnym kierunku. Co więcej, dzieje się to na tym samym poziomie domieszkowania, co pojawienie się czystego nadprzewodnictwa.
„Po raz pierwszy eksperyment bezpośrednio powiązał zanik fal gęstości i związanych z nimi defektów sieci w nanoskali z pojawieniem się swobodnie przepływających elektronów we wszystkich kierunkach wymaganych do uzyskania nieograniczonego nadprzewodnictwa” – powiedział główny autor Seamus Davis. „Te nowe pomiary w końcu pokazują nam, dlaczego elektrony poruszają się mniej swobodnie w tajemniczym stanie pseudoprzerwy tego materiału”.
Davis porównuje obserwacje do lotu nad zamarzniętą rzeką, podczas którego można zobaczyć statyczne fragmenty utworzone przez lód, jednocześnie wykrywając przepływ wody w stanie ciekłym. Loty te powtarzają się wielokrotnie przez całą wiosnę, gdy zamarznięta droga wodna stopniowo topnieje. W przypadku miedzianu zamiast zwiększać temperaturę naukowcy zwiększyli poziom domieszkowania, aby „zatopić” fale gęstości w pewnym punkcie krytycznym.
Odkrycie to potwierdza wieloletnią tezę, że to fale gęstości ograniczają przepływ elektronów i pogarszają maksymalne nadprzewodnictwo w fazie pseudoprzerwy. „Statyczny układ elektronów i powiązane z nim fluktuacje w nanoskali utrudniają swobodny przepływ elektronów — tak jak lód na rzece utrudnia przepływ wody w stanie ciekłym” – mówi Davis.
Praktyczne zastosowanie nadprzewodników od dawna utrudnia jeden z trzech głównych czynników: niskie temperatury przejścia nadprzewodnictwa, istnienie krytycznego pola magnetycznego i krytyczny prąd.
O ile HTSC z powodzeniem zastosowano w krioelektronice już w 1987 roku (ekrany magnetyczne, różne cienkowarstwowe odbiorniki promieniowania mikrofalowego pracujące w temperaturze 77 K), to zastosowanie HTSC w energetyce będzie kwestią następnego dnia. W 1999 roku na III Międzynarodowej Konferencji Problemów Fizycznych i Technicznych Materiałów i Komponentów Elektrycznych (Moskwa, Klyazma, Rosja, autorzy: A.D. Nikulin, A.K. Shirokov, A.B. Vorobyova) stwierdzono, że w wyniku kompleksu badań i prace rozwojowe przeprowadzone w VNIINM stworzyły podstawy procesu tworzenia przewodników jednordzeniowych i wielożyłowych w oparciu o układ bizmutowy ( Bi-2212 i Bi -2223), a także wyroby masywne na bazie ceramiki HTSC Y - Ba - Cu - O . Kompozytowe HTSC produkowane są w odcinkach o długości do 250 m, z prądem krytycznym do 45 A (77 K, OT). Osiągnięty poziom projektowej gęstości prądu na takich przewodnikach- do 6 kA/cm 2 (77 K, 0 Ts) umożliwiło rozpoczęcie produkcji kriogenicznych wyrobów elektrycznych.
We współpracy z Moskiewskim Instytutem Lotniczym, Instytutem Kurczatowa RNS, Instytutem Fizyki Wysokich Energii i Instytutem Badań Naukowych Maszyn Elektrycznych wyprodukowano i pomyślnie przetestowano pierwsze próbki kriomotorów, przewodów prądowych i cewek magnetycznych opartych na przewodnikach HTSC .
Do zastosowań w technologii elektronicznej wiele grup naukowych pracuje nad wykorzystaniem cienkich warstw HTSC otrzymywanych różnymi metodami. Np. podejścia do obliczeń i wytwarzania filtrów o parametrach quasi-skupionych i skupionych oraz małych wymiarach w częstotliwościach 500–2000 MHz, materiały HTSC o współczynniku temperaturowym rezystancji bliskim zera do produkcji precyzyjnych rezystorów niskotemperaturowych, itp. są badane.
Perspektywy zastosowania nadprzewodników zostały dość wyraźnie odzwierciedlone w artykule Alana M. Wolsky’ego i współpracowników „New Superconductors: Application Prospects” w „Scientific American” z 4 kwietnia 1989 r., z których najciekawsze przedstawiono poniżej (rysunek 10.18). .
Ryż. 10.18. Zastosowania nadprzewodników
Magnesy nadprzewodzące. Używając konwencjonalnego elektromagnesu, czyli cewki z drutu miedzianego umieszczonej na żelaznym rdzeniu, można wytworzyć pole o natężeniu do 2 Tesli, a druty miedziane wytrzymują prąd o gęstości do 400 A/cm 2 .
Nadprzewodniki umożliwiają wyeliminowanie konieczności stosowania żelaznego rdzenia poprzez zwiększenie gęstości prądu do 100 000 A/cm 2 . Takie gęstości prądu umożliwiają otrzymanie stopów niobu-3 i cyny oraz niobu z tytanem w temperaturze ciekłego helu (4 K).
Masowe próbki tlenku itru, baru i miedzi wytrzymują gęstości prądu do 4000 A/cm 2 w temperaturze ciekłego azotu (77 K) w polu o natężeniu 1 T. W przypadku braku pola magnetycznego gęstość prądu może osiągnąć 17000 A/cm2.
Generatory i linie energetyczne. Magnesy nadprzewodzące mogą zwiększyć sprawność generatorów dużej mocy do 99,5%, choć w przypadku generatorów konwencjonalnych osiąga ona już 98,6%. Roczna oszczędność paliwa wyniesie 1%. Nadprzewodzące linie elektroenergetyczne mogą stać się opłacalne jedynie wtedy, gdy przesyłane są nimi duże ilości energii.
Magazynowanie energii elektrycznej. Nadprzewodzące urządzenia do magazynowania energii chłodzone ciekłym azotem będą kosztować o 3% mniej niż konwencjonalne urządzenia do magazynowania energii, a całkowite koszty inwestycyjne zostaną obniżone o kolejne 5%.
Najbardziej obiecującym zastosowaniem nadprzewodników w pociągach dużych prędkości są pociągi na lewitacji magnetycznej. Koszt budowy toru o długości 500 km wyniesie 1,5–4,5 miliarda dolarów, koszt samych pociągów nie przekroczy 10% całkowitych kosztów, a układu chłodzenia zaledwie 1%.
W lodówkach magnetycznych wykorzystujących efekt magnetoelektryczny osiągnięto ultraniskie temperatury do 10 -6 K. Systemy takie są ważne dla programów kosmicznych i obronnych.
Komputery i nadprzewodniki. W przyszłości na HTSC może powstać superkomputer z szybkością 1000 razy większą niż obecnie projektowane komputery. Czas przełączania na złączach Josephsona (dwa nadprzewodniki oddzielone cienką warstwą dielektryka) będzie wynosić nie więcej niż 10 -13 s dla T kr=10K i 10 -14 s dla materiału z T kr=100 tys.
W 1962 r G . B. Josephson teoretycznie przewidział wpływ słabego nadprzewodnictwa, co potwierdza, że nadprzewodnictwo jest zjawiskiem kwantowym. Efekty Josephsona, podobnie jak efekt kwantyzacji strumienia magnetycznego, pokazują, że istnieje spójne, spójne zachowanie i silna korelacja fazowa pomiędzy nadprzewodzącymi nośnikami prądu – parami Coopera. Josephson wykazał, że w eksperymentach tunelowych ze strukturami nadprzewodnik-izolator-folia nadprzewodnika należy spodziewać się wycieku par Coopera przez warstwę dielektryczną o grubości 10–20 A. Prąd tunelowy można również zaobserwować, gdy normalny metal i nadprzewodnik stykają się, oddzielone od siebie przez cienką, nieprzewodzącą warstwę.
Istnieją stacjonarne i niestacjonarne efekty Josephsona. Na efekt stacjonarny przy braku pola elektrycznego prąd nadprzewodzący przepływa przez dielektryk, jeśli jego grubość jest rzędu jednego do dwóch nanometrów. Oznacza to, że Cooper łączy w parę tunel z jednej elektrody na drugą, nie powodując spadku napięcia. Przepływ prądu tunelowego w tym trybie będzie następował do momentu, gdy jego gęstość przekroczy pewną wartość krytyczną, która jest charakterystyczna dla styku tunelowego. Każde pole magnetyczne wpływa na ten prąd nadprzewodzący i zmniejsza go do zera, gdy całkowity strumień magnetyczny w szczelinie dielektrycznej jest równy całkowitej liczbie kwantów strumienia F 0 . Zgodnie z wyrażeniem, prąd Josephsona zależy od pola magnetycznego
|
|
(10. 2 9) |
Gdzie I– prąd, zależny od właściwości styku i niezależny od pola, Ф 0 – całkowity strumień magnetyczny w styku tunelowym.
Niestacjonarny efekt Josephsona polega na tym, że gdy gęstość prądu tunelowego stałego przekracza wartość krytyczną, to na styku, oprócz stałej składowej napięcia elektrycznegoV, pojawia się również prąd przemienny o wysokiej częstotliwości o częstotliwości kątowej w i
|
(10.30) |
Przy napięciu kontaktowym 1 mV częstotliwość przemiennego prądu Josephsona wynosi 4,85· 10 - 1 s - 1 , co odpowiada promieniowaniu elektromagnetycznemu o długości fali 600 mikronów. Eksperymenty Josephsona z klasycznymi nadprzewodnikami wykazały, że elektrony łączą się w pary Coopera i wypełniają pojedynczy stan kwantowy. Efekty Josephsona są wykorzystywane w produkcji instrumentów. Na ich bazie stworzono kwantowe magnetometry interferencyjne.- SQUID (skrót od pierwszych liter angielskiej nazwy), używany do pomiaru słabych pól magnetycznych do 10 - 15 T jako odbiorniki promieniowania mikrofalowego oraz szereg innych urządzeń mikroelektronicznych i nadprzewodzących krioelektroniki. SQUID stworzono w oparciu o ceramikę HTSC pracującą w temperaturze 77 K. Zastosowanie efektów złącza Josephsona w nadprzewodzących produktach komputerowych nowej generacji i innych urządzeniach elektronicznych (SQUID) (nadprzewodzący kwantowy detektor interferencji) jest obiecujące. Za pomocą SQUID-a można mierzyć spadki napięcia do 10–18 V, prądy o natężeniu 10–18 A (kilka elektronów na sekundę) i pola magnetyczne o natężeniu mniejszym niż 10–14 Tesli. Nie ma analogów o takiej wrażliwości. Nowe nadprzewodniki umożliwiają regulację częstotliwości do 10-12 Hz (blisko granicy kwantowej). Czułość konwencjonalnych urządzeń nie przekracza 10 10 Hz. Zastosowanie kałamarnic - magnetoencefalografia, elementy pamięci. SQUIDy są wykorzystywane przez fizyków do badania kwarków, monopoli magnetycznych i grawitonów, przez geologów do poszukiwania ropy, wody i minerałów; opracowywane są detektory do wykrywania łodzi podwodnych.
Jeszcze niedawno zjawisko nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego (HTSC) było przedmiotem zainteresowania wyłącznie naukowców. Jednak dziś na rynek sprzętu elektroenergetycznego wchodzą komercyjnie opłacalne produkty oparte na HTSC, w tym produkowane w Rosji. HTSC może dokonać przełomu w technologiach przenoszenia mocy.
HTSC wcale nie jest gorący
Na początku XX wieku odkryto, że wiele metali i stopów charakteryzuje się nadprzewodnictwem, czyli zdolnością do wykazywania zerowej rezystancji w temperaturach bliskich zera absolutnego (około -270°C). Przez długi czas nadprzewodniki można było stosować jedynie w temperaturze ciekłego helu, co umożliwiło stworzenie urządzeń akceleracyjnych i rezonans magnetyczny tomografy.
W 1986 roku odkryto nadprzewodnictwo w temperaturze około 30 K, co zostało nagrodzone Nagrodą Nobla, a na początku lat 90. XX wieku. Nadprzewodnictwo można było osiągnąć już w temperaturze 138 K, a nie metali, ale jako nadprzewodnik zastosowano związki tlenkowe.
Materiały ceramiczne, które w temperaturach powyżej temperatury ciekłego azotu (77 K) mają zerową rezystancję, nazywane są nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi (HTSC). Jeśli jednak przeliczymy Kelvina na stopnie Celsjusza, które są nam bardziej znane, zrozumiemy, że mówimy o niezbyt wysokich temperaturach, powiedzmy, około minus 169–200 ° C. Takich warunków nie jest w stanie zapewnić nawet surowa rosyjska zima.
Umysły badaczy są podekscytowane pomysłem znalezienia materiałów, które mogą się przenosić do nadprzewodnictwa stan w temperaturze pokojowej (293K). Teoretycznie istnieje taka możliwość. Według niektórych doniesień właściwości nadprzewodzące rzekomo wykryto nawet w pojedynczych ziarnach grafitu po specjalnej obróbce. Obecnie poszukiwanie nadprzewodników „w temperaturze pokojowej” (RTSC) uważane jest za jedno z kluczowych zadań badawczych w dziedzinie nanotechnologii. Jednak nie tylko praktyczne zastosowanie, ale także wiarygodne eksperymentalne potwierdzenie CTSC pozostaje kwestią jutra. Dzisiejsza elektroenergetyka opanowuje wykorzystanie nadprzewodników wysokotemperaturowych.
Sprzęt oparty na nadprzewodnictwie wysokotemperaturowym wymaga chłodzenia ciekłym azotem. Według ekspertów branżowych jest to stosunkowo tani i wygodny czynnik chłodniczy, który zapewnia temperatury na poziomie 77 K i pozwala na realizację praktycznych projektów.
Korzyści z nadprzewodnictwa
Nadprzewodnictwo może być (i jest już wykorzystywane) w różnych dziedzinach. Po raz pierwszy zastosowano go do tworzenia magnesów o wysokim polu. Za pomocą nadprzewodników można osiągnąć lewitację magnetyczną, dzięki czemu pociągi dużych prędkości mogą poruszać się płynnie, bez hałasu i tarcia. Powstają silniki elektryczne HTSC do statków i przemysł, które mają znacznie mniejsze parametry wagowe i gabarytowe przy jednakowej mocy. Nadprzewodnictwo jest interesujące z punktu widzenia mikroelektroniki i technologii komputerowej. Nadprzewodniki niskotemperaturowe znajdują zastosowanie w medycznych urządzeniach diagnostycznych (tomografach), a nawet w tak egzotycznych projektach „meganaukowych”, jak Wielki Zderzacz Hadronów i Międzynarodowy Reaktor Termonuklearny.
Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe wiąże się z nadziejami na przezwyciężenie globalnego dylematu energetycznego, związanego z jednej strony ze stałym wzrostem zużycia energii w teraźniejszości i przyszłości, a z drugiej strony z koniecznością radykalnie zmniejszyć emisję dwutlenku węgla, aby zapobiec zmianom klimatycznym. W końcu HTSC wydobywa zwykły sprzęt do wytwarzania i przesyłania energii elektrycznej dla zasady nowy poziom wydajności.
Jednym z najbardziej oczywistych zastosowań nadprzewodników jest przesył energii elektrycznej. Kable HTS mogą przesyłać znaczną moc przy minimalnym przekroju, czyli mają przepustowość innego rzędu niż tradycyjne kable. Kiedy prąd przepływa przez nadprzewodnik, nie wytwarza się ciepło i praktycznie nie ma strat, co rozwiązuje główny problem sieci dystrybucyjnych.
Generatory dzięki uzwojeniom wykonane z nadprzewodnictwa materiały wytwarzające ogromne pola magnetyczne stają się znacznie potężniejsze. Przykładowo koncern Siemens zbudował trzy generatory HTSC o mocy do 4 MW. Maszyna jest dwa razy lżejsza i mniejsza w porównaniu do konwencjonalnego generatora o tej samej mocy. Generator HTSC wykazał się także większą stabilnością napięcia przy zmianie obciążenia oraz lepszą wydajnością w zakresie zużycia mocy biernej.
Dziś świat aktywnie rozwija generatory wiatrowe oparte na nadprzewodnictwie wysokotemperaturowym. Za pomocą Dzięki uzwojeniom HTSC możliwe będzie zbudowanie generatorów HTSC o mocy 10 MW, które będą 2–4 razy lżejsze od generatorów konwencjonalnych.
Obiecującym obszarem szerokiego zastosowania nadprzewodników są urządzenia magazynujące energię, których rola jest także ogromna z punktu widzenia rozwoju nowoczesnych systemów energetycznych wykorzystujących odnawialne źródła energii. Nawet znane urządzenia elektryczne, takie jak transformatory, dzięki HTSC zyskują jakościowo nowe właściwości.
Nadprzewodnictwo umożliwia tworzenie tak nietypowych urządzeń jak ograniczniki prądu zwarciowego, które w pełni automatycznie ograniczają prąd podczas zwarcia i automatycznie włączone po usunięciu zwarcia.
Taśma drugiej generacji
Które z tych obiecujących pomysłów zostały już wdrożone w praktyce i dzięki czyim wysiłkom? Przede wszystkim należy zauważyć, że obecnie na rynku dostępne są nadprzewodniki wysokotemperaturowe pierwszej i drugiej generacji (HTSC-1 i HTSC-2). Pod względem wolumenu wyprodukowanych dotychczas produktów VTSP-1 nadal wygrywa, ale dla ekspertów jest oczywiste, że przyszłość dla nadprzewodników drugie pokolenie. Wynika to z faktu, że w konstrukcji nadprzewodników HTSC-2 ponad 70% stanowi matryca wykonana ze srebra.
Jedną z kluczowych rosyjskich firm zajmujących się tematyką nadprzewodników drugiej generacji jest SuperOx CJSC. Powstał w murach Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego Łomonosowa, gdzie grupa naukowa z Wydziału Chemii pracowała nad technologią osadzania cienkich warstw nadprzewodników. W 2006 roku w oparciu o zgromadzoną wiedzę rozpoczęto komercyjny projekt mający na celu stworzenie krajowej produkcji drutów HTSC II generacji.
W roku 2011 zakres zainteresowań SuperOx został poszerzony poprzez ścisłą współpracę z nowo utworzoną spółką SuperOx Japan LLC. Powstała pilotażowa linia produkcyjna pozwalająca na produkcję drutu HTSC prądem krytycznym o szerokości do 500 A/cm. Od 2011 roku firma SuperOx-Innovations ma także siedzibę w Skołkowie, gdzie prowadzi badania stosowane mające na celu optymalizację właściwości technicznych taśm HTSC drugiej generacji oraz opracowuje różne technologie produkcji tych materiałów. W 2013 roku w moskiewskim parku technologicznym Slava uruchomiono produkcję taśmy VTSP-2.
„Nasz produkt, taśma nadprzewodząca drugiej generacji, to podłoże wykonane ze specjalnej stali nierdzewnej, odpornej na wysokie temperatury, która później nie traci swoich właściwości mechanicznych przy nanoszeniu cienkich warstw” – mówi Vadim Amelichev, wiodący specjalista w SuperOx JSC. - Specjalnymi metodami nanosi się na to podłoże warstwy tlenków buforowych, a jako warstwę funkcjonalną nakłada się warstwę miedzianu gadolinowo-barowego. Struktura ta jest następnie powlekana cienkimi warstwami srebra lub miedzi i stosowana jako taka. w nadprzewodnictwie urządzenia.
Materiał ten, którego grubość warstwy wynosi zaledwie jeden lub dwa mikrony, ma obciążalność prądową około 500 A na 1 mm² przekroju poprzecznego, czyli setki razy większą niż w przypadku konwencjonalnego kabla miedzianego. W związku z tym taśma ta jest idealna do zastosowań, w których wymagany jest wysoki prąd. Główne obszary zastosowań to kable do dużych prądów i magnesy do dużych pól.
SuperOx posiada pełny cykl produkcyjny dla taśmy VTSP-2. Sprzedaż tego innowacyjnego produktu rozpoczęła się w 2012 roku, a obecnie materiał dostarczany jest nie tylko do Rosji, ale i eksportowane do dziewięciu krajów, w tym do Unii Europejskiej, Japonii, Tajwanu i Nowej Zelandii.
„Na świecie nie ma wielu producentów taśmy VTSP-2” – wyjaśnia Vadim Amelichev. - Istnieją dwie amerykańskie firmy, firmy w Korei Południowej i Japonii. W Europie nikt poza nami nie produkuje takiej taśmy na skalę przemysłową. Nasza taśma została przetestowana w wielu ośrodkach badawczych i potwierdziła jej konkurencyjność jego cechy.”
Rozwijaj nową branżę
„Pomimo tego, że nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe pojawiło się całkiem niedawno, kwestie jego zastosowania w technologii są intensywnie badane w technologicznie rozwiniętych krajów świata” – mówi Viktor Pantsyrny, doktor nauk technicznych, członek zwyczajny AES Federacji Rosyjskiej, dyrektor ds. rozwoju Russian Superconductor JSC, „W naszym kraju, w ramach Komisji pod przewodnictwem Prezydenta Rosji Federacja na rzecz Modernizacji i technologiczne Dla rozwoju rosyjskiej gospodarki zainicjowany został projekt „Przemysł nadprzewodników” w ramach projektu „Innowacyjna Energia” w obszarze priorytetowym „Efektywność energetyczna”.
Koordynatorem tego projektu w dziedzinie przemysłu nadprzewodników jest rosyjska firma Superconductor, utworzona przez Rosatom State Corporation. W ciągu pięciu lat od 2011 do 2015 roku planują stworzyć konkurencyjne technologie produkcji wysokotemperaturowych nadprzewodników drugiej generacji, pilotażową produkcję długich (do 1000 m) drutów taśmowych HTSP-2, a także opracować prototypy urządzeń opartych na przewodach HTSP-2 dla elektroenergetyki. To są generatory ograniczniki dużej mocy i prądu (COT) oraz urządzenia magazynujące energię kinetyczną (KNE), a także przewody prądowe dużej mocy do układów magnetycznych, indukcyjne urządzenia magazynujące energię (SPIN), transformatory, silniki elektryczne dużej mocy.
Od 2016 roku planowane jest uruchomienie seryjnej produkcji drutów HTSC-2 i szeregu urządzeń na ich bazie. W prace nad tym projektem zaangażowanych jest około 30 organizacji, w tym uniwersytety, akademickie i przemysłowe ośrodki badawcze, biura projektowe i organizacje przemysłowe, w szczególności JSC VNIINM, JSC NIIEFA, JSC NIITFA, JSC GIREDMET, JSC „NIFHI”, JSC TVEL, JSC „Tochmasz”, a poza nim w Narodowym Centrum Badawczym „Instytut Kurczatowa”, ENIN ich. Krzyżanowski, FSBEI MAI, NRNU MEPhI, SUAI, JSC Rosseti, JSC STC FGC UES, JSC SuperOx, JSC VNIIKP, JSC NIIEM, OKB Yakor itp.
„Strukturalnie projekt składa się z dziewięciu zadań realizowanych równolegle” – wyjaśnia Viktor Pantsyrny. - Od 2011 do 2013 roku udało się stworzyć pierwsze w kraju działające prototypy maszyn nadprzewodzących - silnik i generator o mocy 50 kW, magazyn energii kinetycznej o mocy 0,5 MJ, nadprzewodzący ogranicznik prądu zwarciowego o mocy 3,5 MW dla sieci elektroenergetycznych 3,5 kV, transformator nadprzewodzący o mocy 10 kVA, przewody prądowe dla układów magnetycznych przepuszczających prąd o natężeniu 1500A.
Stworzono także podstawy technologii całkowicie krajowej produkcji drutów taśmowych VTSP-2, zaczynając od surowców, a kończąc na metodach monitorowania gotowych produktów. Znaleziono podstawowe rozwiązania technologiczne, które pozwoliły przejść do tworzenia pełnowymiarowych prototypów urządzeń energetycznych. Tym samym obecnie dobiegają końca prace nad stworzeniem silnika o mocy 200 kW.”
Dzięki zastosowaniu uzwojeń HTSP-2 taki silnik po zamontowaniu na samochód elektryczny(autobus elektryczny) zwiększy przebieg o 15–20% pomiędzy ładowaniami akumulatora. Wyprodukowano nadprzewodzący ogranicznik prądu zwarciowego o mocy powyżej 7 MVA i przygotowywany jest do badań w kolejowej sieci transportowej. Dobiega końca produkcja generatora o mocy 1 MVA, przeznaczonego do zastosowania w elektrowniach wiatrowych.
W oparciu o unikalne technologie Rosatom powstaje magazyn energii kinetycznej z nadprzewodnictwem zawieszenie kół zamachowych, które ma energochłonność większą niż 7 MJ. Na uwagę zasługuje rozwój indukcyjnego urządzenia magazynującego energię, zdolnego w niezwykle krótkim czasie uwolnić zgromadzoną energię do kilku MJ. W końcowej fazie znajdują się także prace nad stworzeniem transformatora nadprzewodzącego o mocy 1000 kVA.
„Ponadto najważniejszymi rezultatami projektu będzie stworzenie potężnego eksperymentu i technologiczne bazy, a także utworzenie zespołów wysoko wykwalifikowanych specjalistów w dziedzinie technologii nadprzewodnikowych – podsumowuje Wiktor Pantsyrny. - W tym roku w Centrum Badawczym Instytutu Kurczatowa zostanie uruchomiona kompleksowa linia produkcyjno-badawcza do wytwarzania nadprzewodników taśmowych HTSC-2 metodą ablacji laserowej. Linia stanie się narzędziem rozwoju nauki i technologii materiałów HTSC, wykorzystując w maksymalnym stopniu potężną infrastrukturę naukową Centrum NBICS Kurchatova. Umożliwi to intensywny rozwój perspektywicznego lidera w obszarze zaawansowanych technologii w stronę komercjalizacji technologie nadprzewodzące”.
Kable prądu przemiennego
Nie sposób nie wspomnieć o rosyjskim projekcie stworzenia kabla nadprzewodzącego o długości 200 m. Nad stworzeniem kabla pracowali OJSC „Energia instytut ich. G.M. Krzyżanowski”(ENIN), OJSC „Ogólnorosyjski Instytut Badań Naukowych Przemysłu Kablowego (VNIIKP), Moskiewski Instytut Lotniczy i Centrum Naukowo-Techniczne Przemysłu Elektroenergetycznego OJSC. Prace rozwojowe rozpoczęły się w 2005 roku, w 2009 roku powstał prototyp, który pomyślnie przeszedł testy na specjalnie utworzonym, unikalnym poligonie testowym.
Głównymi zaletami kabla HTSC są wysokie obciążenie prądowe, niskie straty, przyjazność dla środowiska i bezpieczeństwo przeciwpożarowe. Ponadto przy przesyłaniu dużej mocy takim kablem przy napięciu 10–20 kV nie są wymagane podstacje pośrednie.
Kabel HTSC jest złożoną strukturą wielowarstwową. Centralny element nośny wykonany jest w formie spirali ze stali nierdzewnej, otoczonej wiązką drutów miedzianych i stali nierdzewnej owiniętych taśmą miedzianą. Na element centralny ułożone są dwie warstwy taśm nadprzewodzących, a na wierzchu umieszczona jest izolacja wysokonapięciowa. Następnie następuje nałożenie ekranu nadprzewodzącego, czyli warstwy elastycznych taśm miedzianych owiniętych taśmą ze stali nierdzewnej. Każdy rdzeń kabla jest wciągnięty do własnego, elastycznego kriostatu o długości 200 m.
Stworzenie tej wieloskładnikowej struktury komplikuje fakt, że taśma HTSC jest niezwykle wrażliwa.Główna część operacji technologicznych została przeprowadzona w oparciu o JSC VNIIKP. Jednak w celu produkcji izolacji wysokiego napięcia kabel został przetransportowany do Permu do fabryki Kamsky Kabel.
„Przeprowadziliśmy operację nałożenia izolacji papierowej na kabel HTSC” – mówi Alexander Azanov, zastępca głównego technologa Kamsky Cable LLC. - Zastosowano unikalny sprzęt, który był wcześniej używany do produkcji kabli wysokiego napięcia wypełnionych olejem. Dlatego nie szczędzono środków na dostawę półproduktu z Moskwy do Permu i z powrotem. I myślę, że na razie do produkcji tak specjalistycznych kabli lepiej jest wykorzystywać unikalny sprzęt, instalowany w różnych fabrykach, niż organizować produkcję w jednym miejscu.
W najbliższej przyszłości organizacja produkcji seryjnej tego kabla w naszym lub jakimkolwiek innym zakładzie jest mało prawdopodobna, ze względu na montaż linii z nadprzewodnikami Produkowany jest niezwykle rzadko i na bardzo krótkich odcinkach (nie większych niż 1 km). Głównym powodem jest koszt kabli HTSC i ich konserwacji (konieczne jest ciągłe pompowanie ciekłego azotu przez kabel).”
Kable prądu stałego
Dziś rozwój w dziedzinie tworzenia kabli HTSC trwa. JSC FGC UES i JSC Centrum Naukowo-Techniczne FGC UES prowadzą wspólne prace badawczo-rozwojowe „Utworzenie wysokotemperaturowej nadprzewodzącej linii kablowej prądu stałego na napięcie 20 kV o prądzie 2500 A i długości do 2500 m”. Pierwszy prototyp przyszłego innowacyjnego systemu przesyłu energii – dwa 30-metrowe odcinki bipolarnego kabla HTSC, opracowany w Centrum Naukowo-Technicznym FGC UES i wyprodukowany w zakładzie Irkutskkabel – pomyślnie przeszedł obecne testy i wysokie napięcie testy w 2013r
W listopadzie 2014 roku odbyły się testy zestawu urządzeń konwersyjnych do innowacyjnego przesyłu mocy o mocy 50 MW za pomocą nadprzewodzący kabel o długości kilkuset metrów. Zastosowanie kabla HTSC do zasilania dużych miast umożliwi zmniejszenie powierzchni działek i odpadów z budowy linii napowietrznych i zmniejszyć straty energii elektrycznej.
Centrum Badawczo-Rozwojowe FGC UES zauważa, że linia kablowa prądu stałego oparta na technologii HTSC ma szereg zalet w porównaniu z linią prądu przemiennego. Pozwala nie tylko przesyłać moc przy minimalnych stratach, ale także ograniczać prądy zwarciowe, regulować moc bierną, kontrolować rozpływy mocy i zapewniać jej rewers.
„Miło jest wiedzieć, że rosyjscy twórcy kabli HTSC są w czołówce” – mówi Witalij Wysocki, doktor nauk technicznych, akademik Rosyjskiej Akademii Nauk, dyrektor kierunku naukowego - kierownik. wydział drutów i kabli nadprzewodzących JSC „VNIIKP”. - Przykładowo w latach 2009–2013 kabel o długości 200 m był największy w Europie, a dopiero w 2014 roku położono w Niemczech kabel o długości 1 km. Ale ten rekord zostanie pobity także dzięki testom 2,5-kilometrowego kabla dla St. Petersburga.”
Od wsparcia państwa po inwestycje prywatne
Eksperci przewidują dość aktywny rozwój światowego i rosyjskiego rynku nadprzewodników. Tym samym Andriej Wawiłow, Prezes Zarządu SuperOx CJSC, zauważa, że wielkość światowego rynku HTSC co roku podwaja się i w 2017 roku osiągnie 1 miliard dolarów, podczas gdy udział Federacji Rosyjskiej w rynku światowym można szacować na około 10%.
„Rynek nadprzewodnictwa dla elektroenergetyki musi się rozwijać, ponieważ gęstość zużycia energii stale rośnie, a bez nadprzewodnictwa nie da się zaspokoić rosnącego zapotrzebowania” – mówi Witalij Wysocki. - Jednak pracownicy energetyki są bardzo konserwatywni w stosunku do wszystkiego, co nowe, a nawet i drogie. Dlatego na razie głównym zadaniem jest promocja nowych projektów przy wsparciu organizacji rządowych. Będzie to dowód na niezawodność i wydajność urządzeń nadprzewodzących. Pojawienie się nowych projektów stworzy popyt na produkcję taśm HTSC, zwiększy ich produkcję i obniży ceny, co ponownie pomoże w rozwoju rynku.”
„Na tym etapie kompleksowe rozwiązanie wszystkich postawionych zadań nie jest możliwe bez pełnej pomocy państwa, jednak z każdym rokiem wzrasta atrakcyjność inwestycyjna technologii HTSC, co pozwala z dużą dozą pewności oczekiwać napływu inwestycji prywatnych w dalszym rozwoju komercyjnym” – zgadza się ze swoim kolegą Wiktorem Pantsyrnym.
Eksperci cieszą się, że na szczeblu państwowym panuje ogólne zrozumienie znaczenia technologii nadprzewodnikowych.
„Rozwój przemysłu nadprzewodników ma znaczenie krajowe i stanowi ważny element transformacji do innowacyjnychścieżkę rozwoju gospodarki kraju. Stwierdzono to niedawno na rozszerzonym posiedzeniu Rady Doradczej pod przewodnictwem przewodniczącego Komisji Dumy Państwowej ds. Energii Zgromadzenia Federalnego Federacji Rosyjskiej, gdzie w szczególności zauważono, że w celu zapewnienia niezależności gospodarczej i politycznej W Rosji strategicznie konieczne jest utrzymanie krajowej produkcji na niskim poziomie i wysoka temperatura materiały nadprzewodzące, urządzenia nadprzewodzące i produkty na ich bazie” – relacjonuje Viktor Pantsyrny.
Przyszłe plany
Poprosiliśmy ekspertów o ocenę, które ich zdaniem zastosowania nadprzewodnictwa są najbardziej obiecujące i gdzie możemy spodziewać się komercyjnego wykorzystania tej technologii w nadchodzących latach.
„Podobnie jak na całym świecie, projekty kabli nadprzewodzących są dziś najbardziej zaawansowane w Rosji. Muszą się rozwijać i, mamy nadzieję, będą się rozwijać” – mówi Witalij Wysocki. - Kable nadprzewodzące oparte na HTSC są już produktem czysto komercyjnym, choć wciąż są dość drogie. Tańszy będzie, gdy zacznie się jego powszechne wprowadzanie i będzie wymagana znaczna ilość taśm HTSC, co obniży koszty ich produkcję.
Jednak moim zdaniem jak najbardziej potrzebne i popyt dla elektroenergetyki są nadprzewodnikowymi ogranicznikami prądu zwarciowego dla poziomów napięć 100 kV i wyższych. Konwencjonalne urządzenia tej klasy napięciowej po prostu nie istnieją i bez nadprzewodnictwa po prostu nie można się obejść. Takie projekty są już dyskutowane w naszym kraju. Poza tym moim zdaniem maszyny HTSC do generatorów wiatrowych mają dobre perspektywy. Obiecują znaczną (kilkukrotnie) redukcję masy pojedynczego generatora i wzrost mocy jednostkowej.”
„Dziś motorem rozwoju rynku produktów nadprzewodnikowych jest branża elektroenergetyczna (kable energetyczne i ograniczniki prądu) – mówi Andrei Vavilov. „Ale znaczny potencjał istnieje również w wielu innych branżach. Na przykład obecnie opracowywane są możliwości wykorzystania drutu HTSC jako skutecznego zamiennika nadprzewodników niskotemperaturowych w technologii akceleratorów stosowanych w nauce, produkcji izotopów i medycynie. Rosja ma w tym obszarze duże plany, w szczególności dotyczące budowy nowoczesnego zderzacza NICA w Dubnej.
Tworzenie wydajnych maszyn wirujących o unikalnych właściwościach trakcyjnych, małej masie i wadze ma ogromny potencjał. Takie silniki są poszukiwane przede wszystkim w celu zapewnienia ruchu dużych statków i można stosować generatory w odnawialnych energia.
Zjawisko lewitacji magnetycznej otwiera dziś zupełnie nowe perspektywy. To nie tylko systemy transportowe, ale także manipulatory bezdotykowe, a także wytrzymałe łożyska o szerokim spektrum zastosowań.”
„Dalszy rozwój nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego będzie miał nie tylko wyraźny efekt multiplikatywny w branży elektroenergetycznej, ale także w innych branżach, takich jak kosmiczna, lotnicza, morska, motoryzacyjna i kolej transport, budowa maszyn, metalurgia, elektronika, medycyna, technologia akceleratorów. Technologie nadprzewodnictwa są również ważne dla wzmocnienia zdolności obronnych kraju – przekonuje Wiktor Pantsyrny.
Jednym słowem dalszy rozwój technologii opartych na nadprzewodnictwie otwiera przed ludzkością ogromne perspektywy i to w dającej się przewidzieć przyszłości.