Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik(HTSC, Yüksek sıcaklık süperiletkenleri veya Yüksek-T c) - nispeten yüksek sıcaklıklarda süperiletkenlik. Tarihsel olarak sınır değer 30 K'lik bir sıcaklıktır, ancak HTSC'nin bazı yazarları nitrojenin kaynama noktasının (77 K veya -196 °C) üzerinde kritik sıcaklığa sahip süperiletkenleri kastetmektedir.
"Sıradan" süperiletkenlik gibi, bu olay da belirli bir malzemenin kritik sıcaklık karakteristiğinin altına soğutulduğunda malzemenin elektrik direncinin tamamen kaybolmasından oluşur. Ve bunların özel önemi, klasik süperiletkenler için gerekli olan basınçlı sıvı helyumdan daha ucuz ve daha uygun soğutucularla (sıvı hidrojen, nitrojen) pratik kullanım imkanında yatmaktadır.
2017 yılı itibarıyla bu fenomen en yaygın olarak bilinen ve ortak bir yapısal özelliği olan süper iletken seramikler (karışık oksitler) ailesinde inceleniyor ve bakır-oksijen katmanlarıyla ayrılmış bileşen katmanları üzerinde çalışılıyor. Bunlara aynı zamanda kuprat süperiletkenleri de denir. Bu ailedeki bazı bileşiklerde elde edilebilen süperiletken geçiş sıcaklığı, normal basınç ve sıcaklıkta kararlı olan süperiletkenler arasında en yüksek olanıdır.
Hikaye
Kritik sıcaklığı 35 K olan La 2-x Ba x CuO 4 bileşiğinde yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik olgusunu keşfeden ilk kişi, 1986 yılında IBM Corporation'ın bilimsel bölümünün çalışanları Karl Muller ve Georg Bednorz idi. Bu keşif nedeniyle 1987'de hemen Nobel Ödülü'ne layık görüldüler. Bu tipteki karışık seramiklerin (AMO3 perovskitler) aynı zamanda SSCB'de aktif olarak çalışılması ilginçtir.
1987 yılında, kritik sıcaklığı 92 K olan süper iletken YBCO (itriyum baryum bakır oksit) keşfedildi. Kritik sıcaklığı sıvı nitrojenin kaynama noktasından (77 K) daha yüksek olan ilk süper iletkendi.
Şu anda (2015), 150 GPa basınçta H2S (hidrojen sülfit), Tc = 203 K gibi rekor bir kritik sıcaklığa sahiptir.
2018 yılında yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik rekoru iki kez kırıldı:
Diğer
Seramik HTSC'lerin sınırlı pratik uygulaması, HTSC'den akan akımın yarattığı manyetik alanın büyük olduğunda iletkenin kendi katmanlı yapısının tahrip olmasına ve sonuç olarak süperiletken özelliklerin geri döndürülemez kaybına yol açmasından kaynaklanmaktadır. Üstelik süper iletken ürünler için (hem HTSC hem de klasik), tek bir noktada böyle bir ihlal yeterlidir, çünkü ortaya çıkan kusur anında ısının açığa çıktığı, komşu alanların sıralı ısınmasına neden olan yüksek dirençli bir alan haline gelir; tüm iletkenin süperiletken durumundan çığ benzeri bir çıkış.
Normal (ve süper iletken) durumlar, farklı kuprat bileşimleri arasında birçok ortak özellik gösterir; bu özelliklerin birçoğu BCS teorisi çerçevesinde açıklanamaz. Şu anda oksit HTSC'lerde açıkça tanımlanmış bir süperiletkenlik teorisi yoktur; ancak sorun birçok ilginç deneysel ve teorik sonuca yol açtı.
Bu alandaki araştırmaların ana hedefi, en azından Dünya'da yaygın olan sıcaklıklarda (yaklaşık -30°C) ve maksimumda oda sıcaklığında çalışan HTSC malzemeleridir. Bunların yaratılması, iletken direnç kayıplarının önemli bir sorun olduğu enerji ve elektronik alanında bir devrime yol açacaktır.
Intermetalikler
Notlar
Bağlantılar
Edebiyat
- Maksimov E.G. Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik sorunu. Mevcut durum // Uspekhi fizicheskikh nauk, 2000, v. 170, no. 1033-1061.
- Sadovsky M.V. Yüksek sıcaklık süper iletkenlerinde pseudogap // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2001, v. 171, no 5, s. 539-564.
- Aksenov V. L. Kuprat yüksek sıcaklık süper iletkenlerinin nötronografisi // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, v. 172, no 6, s. 701-705.
- Ponomarev Ya. Yüksek sıcaklık süper iletkenlerinin tünel ve Andreev spektroskopisi // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, v. 172, no 6, s. 705-711.
- Kopayev Yu. Yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik modelleri // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, v. 172, no 6, s. 712-715.
- Çernoplekov N.A. Yüksek akım uygulamalı süperiletkenlik üzerine çalışmanın durumu // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2002, v. 172, no 6, s. 716-722.
- Belyavsky V.I., Kopayev Yu. Yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin doğasına ilişkin genelleştirilmiş bir bakış (M2S-HTSC-VII malzemelerine dayanarak) // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2004, v. 174, no. 457-465.
- Mitsen K.V., Ivanenko O.M.
Şövalye vardiyası
Aynı çekirdek için nükleer manyetik rezonansın (NMR) frekansı, çekirdeğin metal mi yoksa dielektrik mi olduğuna bağlıdır. Bir dielektrikle karşılaştırıldığında bir metaldeki NMR frekans kayması, kayma veya Knight kayması olarak adlandırılır, çekirdeklerin konumunda iletim elektronlarının bulunma olasılığının yüksek olmasıyla açıklanır. Bu elektronlar dış alan tarafından mıknatıslanır ve çekirdekteki toplam manyetik alanın dış alandan biraz daha büyük olduğu ortaya çıkar. Normal metallerin manyetik duyarlılığı pratik olarak sıcaklıktan bağımsız olduğundan, bunların içindeki Şövalye kayması da sabittir.
Süperiletkenlerde, Knight kayması emülsiyonlarda veya ince film yığınlarında gözlenir (içlerindeki manyetik alanın yeterince düzgün olması için emülsiyon parçacıklarının boyutu veya filmlerin kalınlığı d'den çok daha az olmalıdır). Tk'nin altındaki kaymanın büyüklüğü azalır, ancak T=0'da bile nihai değerini korur ve normalin %75'ine ulaşır. İlk bakışta bu durum süperiletkenlik teorisiyle çelişiyor. Aslında, en düşük enerjiye sahip temel durumda elektronlar, toplam elektron dönüşü sıfır olan Cooper çiftleri halinde birleştirilir. Dolayısıyla bir elektronik sistemi ancak çiftleri kırarak mıknatıslamak mümkündür ancak bu, sonlu enerji gerektirir. Bundan, manyetik momentin dış alana doğrusal olarak bağlı olamayacağı sonucu çıkar; manyetik duyarlılık sıfırdır.
T = 0'da süperiletkenlerdeki Knight kaymasının sonlu büyüklüğüne ilişkin en ikna edici açıklama aşağıdaki gibi görünmektedir. Küçük boyutlu numunelerde, elektronlar numunelerin sınırlarından ve kristalitlerin (boyutları numunelerin boyutundan küçük veya buna yakın olan) sınırlarından saçılır. Spin-yörünge etkileşimi nedeniyle, böyle bir saçılma sırasında elektronun spininin yönünü değiştirmesi ihtimali vardır. Bu sayede elektronik sistem zayıf bir manyetik alanda mıknatıslanabilmektedir.
Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik
Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik konusu pratik açıdan son derece önemlidir. Bilinen tüm malzemeler arasında, (Nb 3 Al) 4 + Nb 3 Ge alaşımı, süper iletken duruma geçiş için en yüksek sıcaklığa sahiptir; Bunun için Tk ~ 20 0 K'dır. Bunu elde etmek için sıvı helyum kullanılması gerekir. Süperiletken duruma geçişin daha önce tartışılan mekanizması, kristal kafes yoluyla, yani fonon değişiminden kaynaklanan elektronik etkileşime dayanmaktadır. BCS teorisi, Tk'nin elektronlar arasında ortaya çıkan çekici kuvvetin yoğunluğuyla doğrudan ilişkili olduğunu ve aşağıdaki ilişkiyle belirlendiğini göstermektedir:
T k = e -1/g, (82)
burada ve Debye sıcaklığıdır, g, elektronlar arasındaki çekim kuvvetine bağlı bir sabittir ve büyüklük sırası S'yi aşmaz ve neredeyse her zaman S'den küçüktür. g = 1/3'te, u = 500 0 K olan bir malzeme için elde edilebilecek maksimum kritik sıcaklık: T k = e -3 = 0,05u ~ 25 0 K'dir. Elbette bu tahmin çok kabadır ancak yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğe (Tc > 70-100 0 K) ulaşmanın mümkün olmadığını anlamak için yeterlidir. Sıvı helyumdan çok daha ucuz sıvı hidrojene geçişe olanak sağlayacağı için Tk ~ 25 0 K'ye ulaşmanın bile pratik açıdan son derece önemli olacağı vurgulanmalıdır. Bu nedenle, yüksek sıcaklıkta süper iletkenliği gerçekleştirmek için başka bir elektron korelasyon mekanizması aramak gerekir.
Organik bileşiklerde yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik (HTSC) fikri 1950'de ortaya atıldı. F. London ve sadece 14 yıl sonra bu fikre bir yanıt, metalik değil organik süperiletkenlerin mümkün olduğuna dair cesur bir varsayımı öne süren Amerikalı fizikçi W. Little'ın çalışmalarında ortaya çıktı. Little, ana zincirinde alternatif tekli ve çoklu bağların bulunduğu (kimyagerler bu tür bağları konjuge olarak adlandırır) polimer moleküllerine akıl yürütmesinde önemli bir yer verdi. Gerçek şu ki, atomları birbirine bağlayan her kimyasal bağ, her ikisine de ait olan bir çift elektrondur. Konjuge bağlar zincirinde elektronların sosyalleşme derecesi daha da yüksektir: her biri zincirin tüm atomlarına eşit olarak aittir ve zincir boyunca serbestçe hareket edebilir. Zincir boyunca hareket eden elektronların korelasyonu, kristal kafesten değil, bu parçaların polarizasyonundan dolayı gerçekleştirilir. Bir elektronun kütlesi herhangi bir iyonun kütlesinden birkaç kat daha küçük olduğundan, elektron fragmanlarının polarizasyonu arka plan mekanizmasına göre daha güçlü ve kritik sıcaklık daha yüksek olabilir. Bir polimer molekülünün ana zincirindeki konjuge bağların bu özelliğinin, süperiletken duruma geçiş için önemli bir önkoşul olduğuna pek inanmıyordu. Ayrıca geçiş için ana zincirden özel bir dal yapısının gerekli olduğunu da düşündü. Bilim adamı, polimerinin tasarımını hazırladıktan sonra şu sonuca vardı: Bu tür moleküllere sahip bir maddenin süper iletken olması gerekir; Üstelik bu duruma çok düşük olmayan, belki oda sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta girmelidir. Organik bir süperiletkenin şematik modeli Şekil 13'te gösterilmektedir.
Pirinç. 13
Tamamen sıradan koşullar altında hiçbir enerji kaybından arınmış iletkenler elbette elektrik mühendisliğinde devrim yaratacaktır. Amerikalı fizikçinin fikri farklı ülkelerdeki birçok laboratuvarda ele alındı. Ancak Little'ın icat ettiği polimerin süper iletken duruma geçemeyeceği kısa sürede anlaşıldı. Ancak cesur fikirlerin doğurduğu coşku, ilk başta beklendiği yerde olmasa da meyvesini verdi. Süperiletkenlik hâlâ metal dünyasının dışında keşfedilmişti. 1980 yılında Danimarka'da, K. Bekgaard liderliğindeki bir grup araştırmacı, radikal iyon tuzları sınıfından organik bir maddeyle deneyler yaparak, onu 10 kilobar basınçta ve mutlak sıfırın 0,9 derece üzerinde bir sıcaklıkta süper iletken bir duruma aktardı. 1983 yılında, Fizik ve Matematik Bilimleri Doktoru I.F. başkanlığındaki Sovyet fizikçilerinden oluşan bir ekip. Shchegolev, aynı sınıftaki bir maddeden, zaten 7 derece mutlak sıcaklık ölçeğinde ve normal basınçta süper iletken bir duruma geçişi başardı. Tüm bu arama ve testler sırasında karabina araştırmacılar tarafından göz ardı edilmedi. (Carbyne doğada son derece nadir bulunan organik bir maddedir. Yapısı sonsuz doğrusal karbon atomu zincirlerinden oluşan bir maddedir. 2000 C'ye ısıtıldığında yapısını korur ve daha sonra yaklaşık 2300 C'den başlayarak aşağıdakilere göre yeniden düzenlenir. Grafit kristal kafes tipi Karbin yoğunluğu 1.92.2 g/cm'dir.
(…=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=С=…))
Akademisyen V.L. Ginzburg tarafından geliştirilen yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin teorik modeli, elektron etkileşiminin sözde eksiton mekanizmasına dayanmaktadır. Gerçek şu ki, elektronik sistemde özel dalgalar - eksitonlar var. Fononlar gibi bunlar da kristal boyunca hareket eden ve elektrik yükü ve kütle aktarımıyla ilişkili olmayan yarı parçacıklardır. Böyle bir süper iletkenin model örneği, dielektrik veya yarı iletken katmanlardaki metal bir filmdir. Metal içinde hareket eden iletim elektronları dielektrik elektronları iter, yani kendilerini aşırı pozitif yük bulutuyla çevrelerler, bu da bir elektron çiftinin oluşmasına yol açar. Bu elektron korelasyon mekanizması, kritik sıcaklığın çok yüksek değerlerini (Tc = 200 K) öngörür.
1986 yılının sonunda İsviçre'den K. Müller ve J. Bednoretz tarafından lantan - baryum - bakır - oksijen seramiklerinin 30 0 K'yi aşan sıcaklıklarda süper iletkenliğinin keşfi hakkında bir rapor yayınlandı. Kısa süre sonra Japonya ve ABD'den raporlar geldi. lantan - stronsiyum - seramiklerin bakır - oksijenin 40-50 0 K sıcaklıklarda süper iletkenliği. SSCB'de, SSCB Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü'ndeki A. Golovashkin laboratuvarında, itriyumda- keşfedildi. seramik bazlı süperiletkenlik 120 0 K sıcaklıkta başlar. Şu anda, daha yüksek sıcaklıklara (hatta belki oda sıcaklığına) sahip süperiletkenler için yoğun araştırmalar yürütülüyor ve bu da zaten süperiletken duruma dönüşen geniş bir malzeme sınıfının keşfedilmesine yol açtı. nitrojen sıcaklıklarında. Polimer süperiletkenler bu bakımdan oldukça ümit vericidir.
İletim elektronlarının pozitif yüklü kafes iyonları yoluyla eşleşmesinin etkisine dayalı olarak artan Tc'ye sahip süper iletken malzemeler arayışının yanı sıra, dünya çapındaki laboratuvarlar, elektronların daha etkili bir şekilde çekilmesine yol açabilecek diğer elektron etkileşimi mekanizmalarını aktif olarak araştırıyor ve sonuç olarak, önemli ölçüde daha yüksek geçiş sıcaklığı Tc'ye sahip süper iletken malzemelerin üretimine.
1) 1957'de süperiletkenlik olgusuna temel bir açıklama sağlayan evrensel BCS teorisi oluşturuldu.
2) Bir süper iletkendeki elektronik sistem, bağlı elektron çiftlerinden (Cooper çiftleri) ve uyarılmadan oluşan bir çift kopması olarak temsil edilebilir.
3) Süper iletken durumda olan elektronik sistem, ana sistemden E St genişliğinde bir enerji boşluğu ile ayrılmıştır.
4) Süperiletken duruma geçiş noktasında ısı kapasitesi aniden değişir.
5) Süperiletkenlik teorisine dayanarak Josephson etkisi adı verilen bir olgu keşfedildi. İki süper iletkeni ayıran ince bir dielektrik tabakası boyunca süper iletken akımın akışını içerir. Durağan ve durağan olmayan iki Josephson etkisi vardır.
6) Bir süperiletkendeki manyetik akı nicelleştirilmiştir ve yalnızca birkaç ayrık değer alabilir.
7) Tip I süperiletkenlerin ara durumu, numunenin şekline, harici bir manyetik alandaki konumuna bağlıdır ve her zaman oluşmaz. Tip II süperiletkenlerin karışık durumu bir iç özelliktir ve manyetik alan kritik bir değere ulaştığında herhangi bir şekildeki numunelerde ortaya çıkar.
Amerikalı fizikçiler, süperiletkenlik durumundan önce gelen, maddenin sözde boşluk fazındaki elektronların davranışını çözdüler.
Süperiletkenlik, bir maddenin kritik sıcaklığın altındaki bir sıcaklıkta doğrudan elektrik akımına karşı elektriksel direncinin tamamen ortadan kalkmasıdır. Süperiletkenlerin muazzam pratik değeri, akım akışı sırasında içlerinde elektrik enerjisi kaybının olmamasında yatmaktadır. Ancak yaygın kullanımları çok düşük kritik sıcaklık nedeniyle engellenmektedir. Çoğu madde için mutlak sıfıra yakındır. 1986 yılına kadar en yüksek sıcaklığa, süperiletkenliğin 23 K'nin (-250°) altındaki sıcaklıklarda ortaya çıktığı Nb 3 Ge alaşımı sahipti. Bu nedenle, önemli bir bilimsel görev ortaya çıktı: Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik olarak adlandırılan, tercihen oda sıcaklığına yakın, daha yüksek bir sıcaklıkta süper iletken duruma dönüşen maddeleri bulmak.
1986 yılında bakır oksit (kuprat) bazlı yüksek sıcaklık süperiletkenleri (HTSC'ler) keşfedildi ve birkaç yıl içinde kritik sıcaklık yaklaşık 120 K'ye yükseldi. süperiletken duruma geçişin nasıl olduğunu anlamak, onsuz daha yüksek sıcaklıklarda çalışan süperiletkenlerin geliştirilmesinin imkansız olduğu. O zamandan bu yana neredeyse 30 yıldır bu konuyu incelemek için karmaşık deneyler yapıldı.
Özellikle, HTSC'lerdeki süperiletkenlik durumunun, "pseudogap fazı" olarak adlandırılan bir durumdan önce geldiği keşfedildi. Bu terim, bir maddedeki elektronların enerji spektrumunun bir özelliği ile ilişkilidir (bu, bir atomdaki elektronların izin verilen ayrık enerji düzeyleri kümesine verilen addır). Enerji değerleri düşük olan elektronlar valans bandında yer alırken, madde içerisinde hareket edebilen daha yüksek enerjiye sahip elektronlar ise iletim bandında yer alır. Yarı iletkenlerde ve dielektriklerde değerlik bandı ve iletim bandı, "boşluk" adı verilen bir dizi yasak enerji değeriyle ayrılır. Akımın oluşumuna katılmak için, bir elektronun değerlik bandından iletim bandına kadar olan boşluğu atlamak için enerji kazanması gerekir. Bu nedenle boşluğun genişliği ne kadar büyük olursa malzemenin yalıtım özellikleri de o kadar güçlü olur.
Süperiletkenlerde de bir boşluk oluşur ama doğası farklıdır. Süperiletkenlik meydana geldiğinde, Fermi seviyesine yakın elektronlar Cooper çiftleri olarak adlandırılanları oluşturarak Fermi seviyesine yerleşir ve bu seviye, boşluğu tekli elektronların seviyelerinden ayırmaya başlar. Fermi seviyesi kritik sıcaklık tarafından belirlenir.
Kritik sıcaklıkların üzerindeki sıcaklıklarda, HTSC'lerin, geleneksel bir iletkene göre Fermi seviyesine yakın daha az sayıda yük taşıyıcısına sahip bir duruma sahip olduğu ortaya çıktı. Bu olguya "sözde boşluk" denir. Bu bilinmeyen doğa durumu fizikçiler arasında birçok soruyu gündeme getirdi. Sahte aralık durumu süperiletkenlikten önce geldiğinden ve kısmen onunla birlikte var olduğundan (rekabet ettiğinden) bilim insanları bu durumu incelemenin HTSC'nin gizemlerini çözmeye yardımcı olacağına inanıyor. Son yıllarda bu sayıya pek çok çalışma ayrılmış olup bunlardan biri yakın zamanda dergide yayınlanmıştır. "Bilim" .
Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve Cornell Üniversitesi'nden fizikçiler, geliştirdikleri benzersiz bir yüksek hassasiyetli taramalı tünelleme mikroskobunu kullanarak, kuprat'ın yalıtkandan süperiletkene, sözde boşluk aşaması boyunca dönüşümünün ayrıntılarını izlemeyi başardılar. Deney düzenekleri, malzemedeki elektronların mekansal konumunu ve hareket yönünü belirlemeyi mümkün kıldı ve bu da iki yeni olgunun keşfedilmesini mümkün kıldı.
Başlangıç durumunda, incelenen kuprat Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ bir yalıtkandır. Bunu HTSC'ye dönüştürmek için, yük taşıyıcılarının (deliklerin) kaynağı olarak oksijen atomları kimyasal olarak eklendi. Bu işleme katkılama adı verilir; ilave atomlar formülde "+δ" olarak belirtilir. Fizikçiler, malzeme süperiletken duruma dönüştükçe elektronların davranışının ve düzeninin nasıl değiştiğini gözlemlemek için malzemeyi uzun bir süre boyunca farklı katkı düzeylerinde sistematik olarak taradılar.
Yük taşıyıcıların sayısı (doping seviyesi) arttıkça malzeme dielektrik durumdan sahte boşluk fazına geçiş yaptı. Düşük yük taşıyıcı yoğunluğunda oldukça statik bir resim gözlendi. Bazı elektronların "yoğunluk dalgaları" veya "şeritler" adı verilen egzotik bir periyodik statik düzenlemesi ortaya çıktı. Bu dalgalar “donmuş” elektronların şeritlerine benziyor. Yoğunluk dalgaları da elektronların hareketi gibi belirli yönlerle sınırlıdır. Yük sayısı daha da arttıkça bilim insanları yoğunluk dalgalarının kaybolduğunu ve malzemedeki elektronların herhangi bir yönde serbestçe hareket edebildiğini buldu. Üstelik bu, saf süperiletkenliğin ortaya çıkışıyla aynı katkı seviyesinde meydana gelir.
Baş yazar Seamus Davis, "Deney ilk kez yoğunluk dalgalarının ortadan kaybolmasını ve buna bağlı nanoölçekli kafes kusurlarını, sınırsız süperiletkenlik için gereken her yönde serbest akışlı elektronların ortaya çıkışıyla doğrudan ilişkilendirdi" dedi. "Bu yeni ölçümler nihayet bize, bu malzemenin gizemli sahte boşluk durumunda elektronların neden daha az serbestçe hareket ettiğini gösteriyor."
Davis, gözlemlerini, sıvı suyun akışını tespit ederken buzun oluşturduğu statik parçaları görebileceğiniz donmuş bir nehir üzerinde uçmaya benzetiyor. Bu uçuşlar, donmuş su yolu yavaş yavaş eridikçe bahar boyunca tekrar tekrar meydana gelir. Bilim adamları, kupratta sıcaklığı artırmak yerine, yoğunluk dalgalarını belirli bir kritik noktada "batırmak" için katkı seviyesini artırdılar.
Bu keşif, yoğunluk dalgalarının elektron akışını sınırladığı ve sahte aralık fazında maksimum süperiletkenliği bozduğu şeklindeki uzun süredir devam eden fikri doğruluyor. Davis, "Elektronların statik düzeni ve buna bağlı nano ölçekli dalgalanmalar, tıpkı bir nehirdeki buzun sıvı suyun akışını bozması gibi, elektronların serbest akışını bozar" diyor.
Süperiletkenlerin pratik kullanımı uzun süredir üç ana faktörden biri tarafından engellenmektedir: düşük süperiletken geçiş sıcaklıkları, kritik bir manyetik alanın varlığı ve kritik bir akım.
HTSC'ler 1987'de kriyoelektronikte başarıyla kullanılmışsa (manyetik ekranlar, 77 K'de çalışan çeşitli ince film mikrodalga radyasyon alıcıları), o zaman HTSC'lerin enerji sektöründe kullanımı ertesi günün meselesidir. 1999 yılında, 3. Uluslararası Elektrik Malzemeleri ve Bileşenlerinin Fiziksel ve Teknik Sorunları Konferansı'nda (Moskova, Klyazma, Rusya, yazarlar: A.D. Nikulin, A.K. Shirokov, A.B. Vorobyova), karmaşık bir araştırma sonucunda ve VNIINM'de gerçekleştirilen geliştirme, bizmut sistemine dayalı tek çekirdekli ve çok çekirdekli iletkenler oluşturma sürecinin temellerini oluşturdu ( Bi-2212 ve Bi -2223) ve HTSC seramik bazlı masif ürünler Y - Ba - Cu - O . Kompozit HTSC'ler 250 m'ye kadar tek parça uzunluğunda, 45 A'e (77 K, O T) kadar kritik akımla üretilir. Bu tür iletkenlerde elde edilen tasarım akım yoğunluğu seviyesi- 6 kA/cm2'ye (77 K, 0 Ts) kadar olan değerler, kriyojenik elektrikli ürünlerin imalatına başlamayı mümkün kıldı.
Moskova Havacılık Enstitüsü, Kurchatov Enstitüsü RNS, Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü ve Elektrik Makineleri Bilimsel Araştırma Enstitüsü ile işbirliği içinde, HTSC iletkenlerine dayalı kriyomotorların, akım kablolarının ve manyetik bobinlerin ilk örnekleri üretildi ve başarıyla test edildi .
Elektronik teknolojisinde kullanılmak üzere çeşitli yöntemlerle elde edilen HTSC ince filmlerin kullanımı üzerinde birçok bilimsel grup çalışmaktadır. Örneğin, 500–2000 MHz frekanslarında yarı toplu ve toplu parametrelere ve küçük boyutlara sahip filtrelerin hesaplanması ve imalatına yönelik yaklaşımlar, hassas düşük sıcaklık dirençlerinin üretimi için sıfıra yakın sıcaklık direnç katsayısına sahip HTSC malzemeleri, vb. araştırılmaktadır.
Süper iletkenlerin kullanımına ilişkin beklentiler, Alan M. Wolsky ve arkadaşlarının 4 Nisan 1989 tarihli Scientific American dergisindeki "Yeni Süper İletkenler: Uygulama Beklentileri" makalesinde oldukça açık bir şekilde yansıtılmıştır; bunların en ilgi çekici olanları aşağıda verilmiştir (Şekil 10.18). .
Pirinç. 10.18. Süper iletkenlerin uygulamaları
Süper iletken mıknatıslar. Bir demir çekirdek üzerine yerleştirilen bir bakır tel bobini olan geleneksel bir elektromıknatıs kullanılarak 2 Tesla'ya kadar alanlar oluşturulabilir ve bakır teller 400 A/cm2'ye kadar akım yoğunluklarına dayanabilir.
Süper iletkenler, akım yoğunluğunu 100.000 A/cm2'ye çıkararak demir çekirdeğe olan ihtiyacı ortadan kaldırmayı mümkün kılar. Bu tür akım yoğunlukları, sıvı helyum sıcaklığında (4 K) niyobyum-3 ve kalay ve niyobyumdan titanyum ile alaşımların elde edilmesini mümkün kılar.
İtriyum - baryum - bakır oksitten oluşan toplu numuneler, 1 T'lik bir alanda sıvı nitrojen sıcaklığında (77 K) 4000 A/cm2'ye kadar akım yoğunluklarına dayanabilir. Manyetik alanın yokluğunda akım yoğunluğu 17000 A/cm2'ye ulaşabilir.
Jeneratörler ve elektrik hatları. Süper iletken mıknatıslar, yüksek güçlü jeneratörlerin verimliliğini %99,5'e çıkarabilir, ancak geleneksel jeneratörlerde bu oran halihazırda %98,6'ya ulaşmaktadır. Yıllık yakıt tasarrufu %1 olacaktır. Süperiletken enerji hatları ancak büyük miktarda enerjinin içlerinden iletilmesi durumunda ekonomik olarak uygulanabilir hale gelebilir.
Elektrik depolama. Sıvı nitrojenle soğutulan süper iletken enerji depolama cihazları, geleneksel enerji depolama cihazlarına göre %3 daha düşük maliyete sahip olacak ve genel sermaye maliyetleri de %5 oranında daha düşük olacaktır.
Manyetik kaldırma trenleri, süperiletkenlerin yüksek hızlı trenler için en umut verici uygulamasıdır. 500 km uzunluğunda bir ray inşa etmenin maliyeti 1,5 - 4,5 milyar dolar olacak. Trenlerin maliyeti toplam maliyetin yüzde 10'unu geçmeyecek, soğutma sistemi ise yalnızca yüzde 1 olacak.
Manyetoelektrik etki kullanılarak manyetik buzdolaplarında 10 -6 K'ye kadar ultra düşük sıcaklıklara ulaşıldı. Bu tür sistemler uzay ve savunma programları için önemlidir.
Bilgisayarlar ve süperiletkenler. Gelecekte, HTSC üzerinde şu anda tasarlanmakta olan bilgisayarlardan 1000 kat daha hızlı bir süper bilgisayar oluşturulabilir. Josephson bağlantılarındaki (ince bir dielektrik tabakasıyla ayrılmış iki süper iletken) anahtarlama süresi 10-13 saniyeden fazla olmayacaktır. T cr=10K ve 10 -14 s malzeme için T cr=100K.
1962'de G . B. Josephson, zayıf süperiletkenliğin etkisini teorik olarak öngördü; bu, süperiletkenliğin bir kuantum olgusu olduğunun doğrulanmasına hizmet ediyor. Josephson etkileri, manyetik akı nicemleme etkisi gibi, süperiletken akım taşıyıcıları - Cooper çiftleri arasında tutarlı tutarlı davranış ve güçlü faz korelasyonu olduğunu gösterir. Josephson, süperiletken-yalıtkan-süperiletken film yapılarıyla yapılan tünel açma deneylerinde, Cooper çiftlerinin 10-20 A kalınlığındaki bir dielektrik katmandan sızmasının beklenmesi gerektiğini gösterdi. Tünel açma akımı, normal bir metal ve bir süperiletken temas halindeyken ve ayrılmışken de gözlemlenebilir. ince, iletken olmayan bir tabaka ile.
Durağan ve durağan olmayan Josephson etkileri vardır. Şu tarihte: sabit etki Bir elektrik alanının yokluğunda, kalınlığı bir ila iki nanometre civarındaysa dielektrikten süper iletken bir akım akar. Bu, Cooper'ın bir elektrottan diğerine voltaj düşüşüne neden olmadan tünel eşlemesi yaptığı anlamına gelir. Tünel akımının bu modda geçişi, yoğunluğu tünel temasının bir özelliği olan belirli bir kritik değeri aşıncaya kadar gerçekleşecektir. Herhangi bir manyetik alan, bu süper iletken akımı etkiler ve dielektrik boşluktaki toplam manyetik akı, akı kuantumlarının tam sayısına eşit olduğunda onu sıfıra çevirir. F 0 . Josephson akımı, ifadeye göre manyetik alana bağlıdır
|
|
(10. 2 9) |
Nerede BEN– akım, kontağın özelliklerine bağlı olarak ve alandan bağımsız olarak, Ф 0 – tünel kontağındaki toplam manyetik akı.
Durağan olmayan Josephson etkisi doğrudan tünel akımının yoğunluğu kritik bir değeri aştığında, elektrik voltajının sabit bileşenine ek olarak kontakta olmasıdır.Vaçısal frekansa sahip yüksek frekanslı bir alternatif akım da ortaya çıkar w ve
|
(10.30) |
1 mV kontak voltajında alternatif Josephson akımının frekansı 4,85'tir· 10 - 1 sn - 1 600 mikron dalga boyuna sahip elektromanyetik radyasyona karşılık gelir. Josephson'un klasik süper iletkenlerle yaptığı deneyler, elektronların Cooper çiftleri halinde bağlandığını ve tek bir kuantum durumunu doldurduğunu gösterdi. Josephson etkileri enstrüman yapımında kullanılır. Kuantum girişim manyetometreleri temel alınarak oluşturulmuştur.- SQUID'ler (İngilizce adının ilk harflerinin kısaltması), 10'a kadar zayıf manyetik alanları ölçmek için kullanılır - 15 Mikrodalga radyasyon alıcıları ve bir dizi başka mikroelektronik ve süper iletken kriyoelektronik cihaz olarak T. SQUID'ler, 77 K'de çalışan HTSC seramikleri temel alınarak oluşturulmuştur. Yeni nesil süper iletken bilgisayar ürünleri ve diğer elektronik cihazlar (SQUID'ler) (süper iletken kuantum girişim dedektörü) için Josephson bağlantı etkilerinin kullanılması ümit vericidir. Bir SQUID kullanarak 10 -18 V'a kadar voltaj düşüşlerini, 10 -18 A akımları (saniyede birkaç elektron) ve 10 -14 Tesla'dan düşük manyetik alanları ölçebilirsiniz. Bu hassasiyetin analogları yoktur. Yeni süper iletkenler, frekansların 10-12 Hz'e kadar (kuantum sınırına yakın) ayarlanmasına olanak tanıyor. Geleneksel cihazların hassasiyeti 10 10 Hz'i geçmez. SQUID'lerin uygulanması - manyetoensefalografi, hafıza elemanları. SQUID'ler fizikçiler tarafından kuarkları, manyetik monopolleri, gravitonları incelemek için, jeologlar tarafından ise petrol, su ve mineralleri aramak için kullanılıyor; dedektörler denizaltıları tespit etmek için geliştiriliyor.
Kısa bir süre önce, yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik (HTSC) olgusu yalnızca bilim adamlarının ilgisini çekiyordu. Ancak bugün, Rusya'da üretilenler de dahil olmak üzere HTSC'ye dayalı ticari açıdan karlı ürünler, elektrikli güç ekipmanı pazarına giriyor. HTSC, güç aktarım teknolojilerinde çığır açabilir.
HTSC hiç sıcak değil
Yirminci yüzyılın başında, bazı metal ve alaşımların süperiletkenlikle, yani mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda (yaklaşık -270°C) sıfır dirence sahip olma yeteneğiyle karakterize edildiği keşfedildi. Uzun bir süre boyunca süper iletkenler yalnızca sıvı helyum sıcaklığında kullanılabiliyordu ve bu da hızlandırıcı ekipmanların oluşturulmasını mümkün kılıyordu. ve manyetik rezonans tomografiler.
1986'da yaklaşık 30K sıcaklıkta süperiletkenlik keşfedildi ve bu da Nobel Ödülü'nü aldı ve 1990'ların başında. Zaten 138K'da süper iletkenlik elde etmek mümkündü ve metaller değil, ancak süper iletken olarak oksit bileşikleri kullanıldı.
Sıvı nitrojen sıcaklığının (77 K) üzerindeki sıcaklıklarda direnci sıfır olan seramik malzemelere yüksek sıcaklık süperiletkenleri (HTSC) adı verilir. Ancak Kelvin'i bize daha tanıdık olan Celsius derecesine çevirirsek, çok yüksek olmayan sıcaklıklardan, örneğin eksi 169–200 ° C'den bahsettiğimizi anlayacağız. Sert Rus kışı bile bu koşulları sağlayamıyor.
Araştırmacıların zihni, aktarılabilecek materyalleri bulma fikriyle heyecanlanıyor süperiletkenliğe oda sıcaklığında (293K) durumu. Teorik olarak böyle bir ihtimal mevcut. Bazı raporlara göre, özel işlemlerden sonra tek tek grafit tanelerinde bile süperiletken özelliklerin tespit edildiği iddia ediliyor. Bugün, "oda sıcaklığında" süper iletkenlerin (RTSC) araştırılması, nanoteknoloji alanındaki temel araştırma görevlerinden biri olarak kabul edilmektedir. Bununla birlikte, yalnızca pratik uygulama değil, aynı zamanda CTSC'nin güvenilir deneysel doğrulaması da yarın için bir soru olmaya devam ediyor. Günümüzün elektrik enerjisi endüstrisi, yüksek sıcaklıklı süper iletkenlerin kullanımında uzmanlaşmaktadır.
Yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğe dayalı ekipmanlar, sıvı nitrojenle soğutmayı gerektirir. Sektör uzmanlarına göre 77K sıcaklık sağlayan ve pratik projelerin hayata geçirilmesine olanak tanıyan nispeten ucuz ve kullanışlı bir soğutucu akışkandır.
Süper iletkenliğin faydaları
Süperiletkenlik çeşitli alanlarda kullanılabilir (ve halihazırda kullanılmaktadır). İlk olarak yüksek alan mıknatısları oluşturmak için kullanıldı. Süperiletkenlerin yardımıyla, yüksek hızlı trenlerin gürültü veya sürtünme olmadan sorunsuz bir şekilde hareket etmesine olanak tanıyan manyetik kaldırma elde edilebilir. Gemiler için HTSC elektrik motorları üretiliyor ve endüstri,
eşit güçte önemli ölçüde daha küçük ağırlık ve boyut parametrelerine sahip olan. Süperiletkenlik, mikroelektronik ve bilgisayar teknolojisi açısından ilginçtir. Düşük sıcaklıktaki süper iletkenler tıbbi teşhis cihazlarında (tomograflarda) ve hatta Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ve Uluslararası Termonükleer Reaktör gibi egzotik "megasbilim" projelerinde bile kullanılıyor. Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik, bir yandan günümüzde ve gelecekte enerji tüketimindeki sürekli artışla, diğer yandan da küresel enerji ikileminin üstesinden gelme umutlarıyla ilişkilidir. zorunlulukla İklim değişikliğini önlemek için karbon emisyonlarını radikal bir şekilde azaltın. Sonuçta, özünde HTSC, elektrik üretmek ve iletmek için olağan ekipmanı ortaya çıkarıyor prensip olarak
Süper iletkenlerin en belirgin uygulamalarından biri elektriğin iletimidir. HTS kabloları, minimum kesitle önemli miktarda güç iletebilir, yani geleneksel kablolardan farklı düzeyde bir çıkış kapasitesine sahiptirler. Akım bir süperiletkenden geçtiğinde ısı üretilmez ve neredeyse hiç kayıp olmaz; bu da dağıtım ağlarının ana sorununu çözer.
Sargılar sayesinde jeneratörler süper iletkenden yapılmış Büyük manyetik alanlar sağlayan malzemeler çok daha güçlü hale geliyor. Örneğin, Siemens endişesi 4 MW'a kadar güce sahip üç HTSC jeneratörü inşa etti.
Makine, aynı güçteki geleneksel bir jeneratörle karşılaştırıldığında iki kat daha hafif ve daha küçüktür. Ayrıca HTSC jeneratörü, yük değiştiğinde daha yüksek voltaj kararlılığı ve reaktif güç tüketimi açısından daha iyi performans gösterdi. Bugün dünya aktif olarak yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğe dayalı rüzgar jeneratörleri geliştiriyor. Kullanma
HTSC sargıları, geleneksel olanlardan 2-4 kat daha hafif olacak 10 MW HTSC jeneratörlerinin oluşturulmasını mümkün kılmaktadır.
Süperiletkenlerin yaygın kullanımı için umut verici bir alan, yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan modern enerji sistemlerinin geliştirilmesi açısından da rolü büyük olan enerji depolama cihazlarıdır. Transformatörler gibi tanıdık elektrikli ekipmanlar bile HTSC sayesinde niteliksel olarak yeni özellikler kazanıyor. Süperiletkenlik, kısa devre sırasında akımı tamamen otomatik olarak sınırlayan kısa devre akım sınırlayıcıları gibi alışılmadık cihazların oluşturulmasını mümkün kılar ve otomatik olarak
Kısa devre giderildiğinde açılır.
İkinci nesil bant Bu umut verici fikirlerden hangileri halihazırda ve kimin çabalarıyla hayata geçirildi? Her şeyden önce, bugün pazarın birinci ve ikinci nesillerin (HTSC-1 ve HTSC-2) yüksek sıcaklık süper iletkenlerini sunduğunu belirtmekte fayda var. Bugüne kadar üretilen ürünlerin hacmi açısından VTSP-1 hala kazanıyor, ancak uzmanlar için geleceğin
İkinci nesil süper iletkenler konusunda çalışan önemli Rus şirketlerinden biri SuperOx CJSC'dir.
Kimya Fakültesi'nden bir bilimsel grubun süperiletkenlerin ince filmlerini biriktirme teknolojisi üzerinde çalıştığı Lomonosov Moskova Devlet Üniversitesi'nin duvarları içerisinde ortaya çıktı. 2006 yılında, biriken bilgi birikimine dayanarak 2. nesil HTSC tellerinin yerli üretiminin sağlanmasına yönelik ticari bir proje başlatıldı.
2011 yılında SuperOx'un ilgi alanı, yeni kurulan SuperOx Japan LLC şirketi ile yakın işbirliği yapılarak genişletildi. 500 A/cm genişliğe kadar kritik akıma sahip HTSC tel üretimine olanak tanıyan bir pilot üretim hattı oluşturuldu. SuperOx-Innovations şirketi 2011 yılından bu yana, ikinci nesil HTSC bantların teknik özelliklerini optimize etmeyi amaçlayan uygulamalı araştırmalar yürüttüğü ve bu malzemelerin üretimi için çeşitli teknolojiler geliştirdiği Skolkovo'da da ikamet ediyor. 2013 yılında Moskova Slava teknoloji parkında VTSP-2 bant üretimine başlandı. SuperOx JSC'nin önde gelen uzmanı Vadim Amelichev, "İkinci nesil süper iletken bant olan ürünümüz, yüksek sıcaklıklara dayanıklı, daha sonra ince filmler uygulanırken mekanik özelliklerini kaybetmeyen özel paslanmaz çelikten yapılmış bir alt tabakadır" diyor.- Özel yöntemler kullanılarak bu alt tabakaya tampon oksit katmanları uygulanır ve fonksiyonel katman olarak gadolinyum-baryum kuprat filmi uygulanır. Bu yapı daha sonra ince gümüş veya bakır katmanlarıyla kaplanır ve bu şekilde kullanılır.
süper iletkenlikte
cihazlar. Film kalınlığı yalnızca bir veya iki mikron olan bu malzeme, 1 mm² kesit başına yaklaşık 500 A, yani geleneksel bakır kablonun yüzlerce katı akım taşıma kapasitesine sahiptir. Buna göre bu bant yüksek akımın gerekli olduğu uygulamalar için idealdir. Yüksek akımlara yönelik kablolar, yüksek alanlara yönelik mıknatıslar ana uygulama alanlarıdır.” SuperOx, VTSP-2 bandı için tam bir üretim döngüsüne sahiptir. Bu yenilikçi ürünün satışı 2012 yılında başladı ve artık malzeme yalnızca Rusya'ya değil, aynı zamanda
Vadim Amelichev, "Dünyada çok fazla VTSP-2 bant üreticisi yok" diye açıklıyor. - İki Amerikan şirketi var, Güney Kore'de ve Japonya'da şirketler. Avrupa'da bizden başka kimse endüstriyel ölçekte böyle bir bant üretmiyor.
Bantımız birçok araştırma merkezinde test edildi ve rekabet gücü onaylandı
onun özellikleri." Yeni bir endüstri geliştirin“Yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin oldukça yakın zamanda ortaya çıkmasına rağmen, bunun teknolojideki uygulamasına ilişkin sorular yoğun bir şekilde araştırılıyor. teknolojik olarak Rusya Federasyonu AES'in tam üyesi ve Russian Superconductor JSC'nin geliştirme direktörü Teknik Bilimler Doktoru Viktor Pantsyrny şöyle diyor: "Ülkemizde, Rusya Devlet Başkanı başkanlığındaki Komisyon çerçevesinde Modernizasyon Federasyonu
ve teknolojik Rusya ekonomisinin kalkınması için “Enerji Verimliliği” öncelikli alanında “Yenilikçi Enerji” projesi kapsamında “Süper İletken Endüstrisi” projesi başlatıldı. Süperiletken endüstrisi alanındaki bu proje, Rosatom State Corporation tarafından oluşturulan Rus Süperiletken şirketi tarafından koordine edilmektedir. 2011'den 2015'e kadar olan beş yıllık dönemde, yüksek sıcaklıkta ikinci nesil süper iletkenlerin üretimi için rekabetçi teknolojiler oluşturmayı, uzun (1000 m'ye kadar) HTSP-2 şerit tellerin pilot üretimini ve prototip geliştirmeyi planlıyorlar. elektrik enerjisi endüstrisi için HTSP-2 tellerine dayalı ekipmanların.
Bunlar jeneratörler yüksek güç ve akım sınırlayıcılar (COT) ve kinetik enerji depolama cihazları (KNE), ayrıca manyetik sistemler için güçlü akım uçları, endüktif enerji depolama cihazları (SPIN), transformatörler, yüksek güçlü elektrik motorları. 2016 yılından itibaren HTSC-2 tellerinin ve bunlara dayalı bir dizi cihazın seri üretimine başlanması planlanıyor.
Viktor Pantsyrny, "Yapısal olarak proje paralel olarak gerçekleştirilen dokuz görevden oluşuyor" diye açıklıyor. - 2011'den 2013'e
süper iletken makinelerin ilk yerli çalışan prototiplerini yaratmayı başardı - 50 kW motor ve jeneratör, 0,5 MJ kinetik enerji depolama cihazı, 3,5 kV güç ağları için 3,5 MW süper iletken kısa devre akım sınırlayıcı, 10 kVA süper iletken transformatör, akım kabloları 1500A akım geçiren manyetik sistemler için.
VTSP-2 şerit tellerinin tamamen yerli üretimine yönelik teknolojinin temelleri de, hammaddeden bitmiş ürünlerin izlenmesine yönelik yöntemlere kadar oluşturulmuştur. Enerji cihazlarının tam ölçekli prototiplerinin oluşturulmasına geçmeyi mümkün kılan temel teknolojik çözümler bulundu. Bu nedenle 200 kW'lık bir motor oluşturma çalışmaları şu anda tamamlanıyor." HTSP-2 sargılarının kullanılması sayesinde böyle bir motor kurulduğunda elektrikli bir araba için
(elektrikli otobüs), akü şarjları arasında kat edilen mesafeyi %15-20 artıracaktır. 7 MVA'nın üzerinde güce sahip süper iletken kısa devre akım sınırlayıcısı üretilmiş ve demiryolu ulaşım ağında test edilmeye hazırlanmaktadır. Rüzgar santrallerinde kullanım için umut veren 1 MVA jeneratörün üretimi tamamlanıyor. Benzersiz Rosatom teknolojilerine dayanarak kinetik enerji depolama cihazı oluşturuluyor
süper iletken ile Enerji yoğunluğu 7 MJ'den fazla olan volanların süspansiyonu. Son derece kısa sürede birkaç MJ'e kadar birikmiş enerjiyi serbest bırakabilen endüktif bir enerji depolama cihazının geliştirilmesine dikkat etmek önemlidir. 1000 kVA kapasiteli süper iletken transformatörün oluşturulması çalışmaları da son aşamada. “Ayrıca projenin en önemli sonucu güçlü bir deneysel sistemin yaratılması olacak. Süperiletken Teknolojiler".
AC kabloları
Rusya'nın 200 m uzunluğunda süper iletken kablo oluşturma projesinden bahsetmemek mümkün değil. Kablonun oluşturulması üzerinde çalıştılar. OJSC "Enerji enstitü onlara. G.M. Krzhizhanovski"(ENİN), OJSC "Tüm Rusya Kablo Endüstrisi Bilimsel Araştırma Enstitüsü (VNIIKP), Moskova Havacılık Enstitüsü ve OJSC Elektrik Enerjisi Endüstrisi Bilimsel ve Teknik Merkezi. Geliştirme 2005 yılında başladı; 2009 yılında özel olarak oluşturulmuş benzersiz bir test sahasında başarıyla test edilen bir prototip oluşturuldu.
HTSC kablosunun temel avantajları yüksek akım yükü, düşük kayıplar, çevre dostu olması ve yangın güvenliğidir. Ayrıca, 10–20 kV voltajda böyle bir kablo aracılığıyla yüksek güç iletilirken, ara trafo merkezlerine gerek yoktur.
HTSC kablosu karmaşık, çok katmanlı bir yapıdır. Merkezi destek elemanı, bakır bantla sarılmış bir bakır ve paslanmaz çelik tel demetiyle çevrelenmiş paslanmaz çelik bir spiral şeklinde yapılmıştır. Merkezi elemanın üzerine iki kat süper iletken bant döşenir ve üstüne yüksek voltaj yalıtımı yerleştirilir. Bunu, paslanmaz çelik bantla sarılmış esnek bakır bantlardan oluşan bir katman olan süper iletken ekranın uygulanması takip ediyor. Her bir kablo damarı, 200 m uzunluğundaki kendi esnek kriyostatına çekilir.
Bu çok bileşenli yapının oluşturulması, HTSC bandının son derece hassas olması nedeniyle karmaşıktır. Teknolojik operasyonların ana kısmı JSC VNIIKP temelinde gerçekleştirildi.
Ancak yüksek voltaj yalıtımı üretimi için kablo Perm'e Kamsky Kabel fabrikasına nakledildi.
Kamsky Cable LLC'nin baş teknoloji uzmanı yardımcısı Alexander Azanov, "HTSC kablosu için kağıt yalıtım uygulama işlemini gerçekleştirdik" diyor. - Daha önce yağla doldurulmuş yüksek gerilim kablolarının üretiminde kullanılan benzersiz ekipman kullanıldı. Bu nedenle yarı mamul ürünün Moskova'dan Perm'e ve geri teslimatında hiçbir kaynaktan kaçınılmadı. Ve şimdilik bu tür özel kabloların üretimi için, üretimi tek bir yerde organize etmek yerine, farklı fabrikalarda kurulu benzersiz ekipmanların kullanılması tavsiye edilir diye düşünüyorum. Son derece nadir ve çok kısa uzunluklarda (1 km'yi geçmeyecek şekilde) üretilir.
Bunun temel sebebi ise HTSC kabloların maliyeti ve bakımları (kablo üzerinden sürekli olarak sıvı nitrojen pompalamak gerekiyor)” dedi.
DC kabloları Günümüzde HTSC kabloları oluşturma alanındaki gelişmeler devam etmektedir. JSC FGC UES ve JSC Bilimsel ve Teknik Merkezi FGC UES, "2500 A akım ve 2500 m uzunluğa sahip 20 kV voltaj için yüksek sıcaklıkta süper iletken bir DC kablo hattının oluşturulması" ortak Ar-Ge yürütüyor. Geleceğin yenilikçi enerji iletim sisteminin ilk prototipi - FGC UES Bilimsel ve Teknik Merkezinde geliştirilen ve Irkutskkabel fabrikasında üretilen iki adet 30 m'lik iki kutuplu HTSC kablo bölümü - mevcut testleri başarıyla geçti
ve yüksek voltaj 2013'teki testler Kasım 2014'te, 50 MW kapasiteli yenilikçi güç aktarımına yönelik bir dizi dönüşüm ekipmanının testleri gerçekleştirildi. kullanarak birkaç yüz metre uzunluğunda süper iletken kablo. Büyük şehirlere güç sağlamak için HTSC kablosunun kullanılması, arazi tahsislerinin ve çöp alanlarının azaltılmasını mümkün kılacaktır.
inşaattan
havai hatlar ve elektrik kayıplarını azaltır.
FGC UES Bilimsel ve Teknik Merkezi, HTSC'ye dayalı bir DC kablo hattının, bir AC hattına kıyasla çok sayıda avantaja sahip olduğunu belirtmektedir. Yalnızca minimum kayıpla güç aktarmanıza olanak sağlamakla kalmaz, aynı zamanda kısa devre akımlarını sınırlandırır, reaktif gücü düzenler, güç akışlarını kontrol eder ve bunun tersine dönmesini sağlar.
Teknik Bilimler Doktoru, Rusya Bilimler Akademisi Akademisyeni ve Bilimsel Yön Direktörü Vitaly Vysotsky, "Rus HTSC kablo geliştiricilerinin ön planda olduğunu bilmek güzel" diyor. JSC "VNIIKP" süper iletken teller ve kablolar departmanı.
Vitaly Vysotsky, "Elektrik enerjisi endüstrisi için süperiletkenlik pazarının gelişmesi gerekiyor, çünkü enerji tüketiminin yoğunluğu sürekli artıyor ve süperiletkenlik olmadan artan talepleri desteklemek imkansız" diyor. - Bununla birlikte, enerji çalışanları yeni olan her şey konusunda çok muhafazakardır ve hatta ve pahalı. Bu nedenle şimdilik asıl görev, devlet kurumlarının desteğiyle yeni projelerin teşvik edilmesidir. Bu, süper iletken cihazların güvenilirliğinin ve verimliliğinin kanıtı olacaktır. Yeni projelerin ortaya çıkması HTSC bant üretimine yönelik talep yaratacak, çıktılarını artıracak ve fiyatları düşürecek, bu da yine pazarın gelişmesine yardımcı olacak.”
“Bu aşamada, devletin tam yardımı olmadan belirlenen tüm görevlere kapsamlı bir çözüm imkansızdır, ancak HTSC teknolojisinin yatırım çekiciliği her yıl artıyor, bu da bize yüksek derecede bir güvenle özel yatırım akışı beklememize olanak tanıyor ticari gelişiminin devamında" diye meslektaşı Viktor Pantsyrny ile aynı fikirde.
Uzmanlar, genel olarak süperiletken teknolojilerin önemi konusunda devlet düzeyinde bir anlayış olmasından memnun.
“Süper iletken endüstrisinin gelişimi ulusal öneme sahiptir ve geçiş sürecinin önemli bir parçasıdır. yenilikçiülke ekonomisinin gelişme yolu. Bu, yakın zamanda Rusya Federasyonu Federal Meclisi Enerji Duması Devlet Duması Komitesi Başkanı yönetimindeki Danışma Konseyi'nin genişletilmiş toplantısında belirtildi; burada özellikle ekonomik ve siyasi bağımsızlığın sağlanması amacıyla, Rusya'da yerli üretimin düşük olması stratejik olarak gerekli ve yüksek sıcaklık süper iletken malzemeler, süper iletken cihazlar ve bunlara dayalı ürünler” diyor Viktor Pantsyrny.
Gelecek planları
Uzmanlardan, kendilerine göre süperiletkenliğin hangi uygulamalarının en umut verici olduğunu ve önümüzdeki yıllarda teknolojinin ticari kullanımını nerede bekleyebileceğimizi değerlendirmelerini istedik.
“Dünyanın her yerinde olduğu gibi, süper iletken kablo projeleri bugün Rusya'da en gelişmiş projedir. Vitaly Vysotsky, "Onların gelişmesi gerekiyor ve gelişeceğini umuyoruz" diyor. - HTSC bazlı süper iletken kablolar, hala oldukça pahalı olmalarına rağmen zaten tamamen ticari bir üründür. Yaygın kullanıma başlandığında daha ucuz hale gelecek ve önemli miktarda HTSC bantlara ihtiyaç duyulacak, bu da maliyeti düşürecek onların üretimi.
Ancak bana göre en gerekli olan ve talep görüyor elektrik enerjisi endüstrisi için 100 kV ve üzeri voltaj seviyeleri için süper iletken kısa devre akım sınırlayıcıları bulunmaktadır.
Bu voltaj sınıfındaki geleneksel cihazlar mevcut değildir ve süperiletkenlik olmadan kimse yapamaz.
Ülkemizde bu tür projeler zaten tartışılıyor. Ayrıca rüzgar jeneratörlerine yönelik HTSC makinelerinin iyi bir geleceği olduğunu düşünüyorum. Tek bir jeneratörün ağırlığında önemli ölçüde (birkaç kat) azalma ve ünite gücünde artış vaat ediyorlar.” Andrei Vavilov, “Günümüzde süper iletken ürünler pazarının gelişmesinin itici gücü elektrik enerjisi endüstrisidir (güç kabloları ve akım sınırlayıcılar). “Ancak diğer birçok sektörde de önemli bir potansiyel var. Örneğin günümüzde bilim, izotop üretimi ve tıp için kullanılan hızlandırıcı teknolojisinde düşük sıcaklıklı süper iletkenlerin yerine etkili bir alternatif olarak HTSC telinin kullanılmasına yönelik seçenekler geliştirilmektedir. Rusya'nın bu alanda, özellikle Dubna'daki modern NICA çarpıştırıcısının inşasına ilişkin büyük planları var.
Benzersiz çekiş özelliklerine, düşük kütleye ve ağırlığa sahip verimli döner makinelerin yaratılması büyük bir potansiyele sahiptir.
Bu tür motorlar öncelikle büyük gemilerin hareketini sağlamak için talep görmektedir ve jeneratörler kullanılabilir. yenilenebilir enerji. Manyetik kaldırma olgusu bugün tamamen yeni umutlar açıyor. Bunlar sadece taşıma sistemleri değil, aynı zamanda temassız manipülatörler ve geniş bir uygulama yelpazesine sahip dayanıklı rulmanlardır.”"Yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin daha da geliştirilmesi, yalnızca belirgin bir çarpımsal etkiye sahip olmayacak, aynı zamanda
elektrik enerjisi endüstrisinde,