Šodien redzēju šo komentāru un diskusiju zem tā. Ņemot vērā, ka šodien biju pie supravadošo kabeļu ražošanas, gribēju ielikt pāris komentārus, bet tikai lasāms... Rezultātā nolēmu uzrakstīt īsu rakstu par augstas temperatūras supravadītājiem.

Sākumā katram gadījumam vēlos atzīmēt, ka pats termins “augstas temperatūras supravadītājs” nozīmē supravadītājus ar kritisko temperatūru virs 77 K (-196 °C) - lētā šķidrā slāpekļa viršanas temperatūru. Tie bieži ietver supravadītājus, kuru kritiskā temperatūra ir aptuveni 35 K, jo Tā bija pirmā supravadītāja kuprāta La 2-x Ba x CuO 4 (viela ar mainīgu sastāvu, tātad x) temperatūra. Tie. “Augstas” temperatūras šeit joprojām ir ļoti zemas.

Plaši tiek izmantoti divi augstas temperatūras supravadītāji - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) un Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Tiek izmantoti arī YBCO līdzīgi materiāli, kuros itrijs ir aizstāts ar citu retzemju elementu, piemēram, gadolīniju, to vispārīgais apzīmējums ir ReBCO.
Ražotā YBCO un cita ReBCO kritiskā temperatūra ir 90–95 K. Ražotā BSCCO sasniedz kritisko temperatūru 108 K.

Papildus augstajai kritiskajai temperatūrai ReBCO un BSCCO izceļas ar lielām kritiskā magnētiskā lauka vērtībām (šķidrā hēlijā - vairāk nekā 100 T) un kritisko strāvu. Tomēr ar pēdējo viss nav tik vienkārši...

Supravadītājā elektroni nepārvietojas neatkarīgi, bet gan pa pāriem (Cooper pairs). Ja mēs vēlamies, lai strāva pāriet no viena supravadītāja uz otru, tad atstarpei starp tiem jābūt mazākai par šī pāra raksturīgo izmēru. Metāliem un sakausējumiem šis izmērs ir desmitiem vai pat simtiem nanometru. Bet YBCO un BSCCO tas ir tikai pāris nanometri un nanometra daļas atkarībā no kustības virziena. Pat spraugas starp atsevišķiem polikristāla graudiņiem izrādās diezgan pamanāms šķērslis, nemaz nerunājot par spraugām starp atsevišķiem supravadītāja gabaliem. Rezultātā supravadītāja keramika, ja vien netiek veikti īpaši triki, spēj izlaist cauri tikai salīdzinoši nelielu strāvu.

Vienkāršākais veids, kā atrisināt problēmu, bija BSCCO: tā graudiem dabiski ir gludas malas, un vienkāršākā mehāniskā saspiešana ļauj pasūtīt šos graudus, lai iegūtu augstu kritisko strāvas vērtību. Tas ļāva ātri un vienkārši izveidot pirmās paaudzes augstas temperatūras supravadošos kabeļus, pareizāk sakot, augstas temperatūras supravadošās lentes. Tās ir sudraba matrica, kas satur daudzas plānas caurules, kas pildītas ar BSCCO. Šī matrica ir saplacināta, un supravadītāja graudi iegūst vēlamo secību. Mēs iegūstam plānu elastīgu lenti, kurā ir daudz atsevišķu plakanu supravadošu serdeņu.

Diemžēl BSCCO materiāls ir tālu no ideāla: tā kritiskā strāva ļoti ātri samazinās, palielinoties ārējam magnētiskajam laukam. Tā kritiskais magnētiskais lauks ir diezgan augsts, taču ilgi pirms šīs robežas sasniegšanas tas zaudē spēju izturēt jebkādas lielas strāvas. Tas ievērojami ierobežoja augstas temperatūras supravadošo lentu izmantošanu; tās nevarēja aizstāt vecos labos niobija-titāna un niobija-alvas sakausējumus, kas darbojas šķidrā hēlijā.

ReBCO ir pavisam cita lieta. Bet tajā ir ļoti grūti izveidot pareizo graudu orientāciju. Tikai salīdzinoši nesen viņi ir iemācījušies izgatavot supravadošās lentes, pamatojoties uz šo materiālu. Šādas lentes, ko sauc par otro paaudzi, ražo, izsmidzinot supravadošu materiālu uz substrāta, kam ir īpaša tekstūra, kas nosaka kristāla augšanas virzienu. Tekstūra, kā jūs varētu nojaust, ir nanometru lielumā, tāpēc šī ir īsta nanotehnoloģija. Maskavas uzņēmumā SuperOx, kur es īstenībā biju, lai iegūtu šādu struktūru, uz metāla substrāta tiek izsmidzināti pieci starpslāņi, no kuriem viens vienlaikus tiek izsmidzināts ar ātru jonu plūsmu, kas krīt noteiktā leņķī. Rezultātā šī slāņa kristāli aug tikai vienā virzienā, kurā joniem ir visgrūtāk tos izsmidzināt. Citi ražotāji, kuru pasaulē ir četri, var izmantot citas tehnoloģijas. Starp citu, sadzīves lentēs itrija vietā tiek izmantots gadolīnijs, tas izrādās tehnoloģiski progresīvāks.

Otrās paaudzes supravadošās lentes ar platumu 12 mm un biezumu 0,1 mm šķidrā slāpeklī, ja nav ārēja magnētiskā lauka, izlaiž strāvu līdz 500 A. Ārējā magnētiskajā laukā, kura stiprums ir 1 T, kritiskā strāva joprojām ir sasniedz 100 A, bet pie 5 T - līdz 5 A Ja atvēsināsiet lenti līdz šķidrā ūdeņraža temperatūrai (niobija sakausējumi šajā temperatūrā pat nepāriet supravadītājā stāvoklī), tad tā pati lente spēs izturēt 500 A 8 T laukā un “kādus” 200-300 A pāris desmitu Teslas līmeņa laukā (varde lido). Par šķidro hēliju nav jārunā: uz šīm lentēm ir magnētu projekti ar lauku 100 Teslu līmenī! Tiesa, te pilnā spēkā rodas mehāniskās stiprības problēma: magnētiskajam laukam vienmēr ir tendence salauzt elektromagnētu, bet, šim laukam sasniedzot desmitiem teslu, tā tieksmes viegli īstenojas...

Taču visas šīs lieliskās tehnoloģijas neatrisina divu supravadītāja gabalu savienošanas problēmu: lai arī kristāli ir orientēti vienā virzienā, par ārējās virsmas pulēšanu līdz subnanometra izmēra raupjumam nav runas. Korejiešiem ir tehnoloģija atsevišķu sloksņu saķepināšanai savā starpā, taču tā joprojām, maigi izsakoties, ir tālu no ideāla. Parasti lentes tiek savienotas viena ar otru ar parasto lodēšanu, izmantojot parasto alvas-svina lodmetālu vai citu klasisku metodi. Protams, šajā gadījumā pie kontakta parādās galīga pretestība, tāpēc no tādām lentēm nav iespējams izveidot supravadošu magnētu, kam nav nepieciešama jauda daudzus gadus, un vienkārši elektrolīniju ar precīzi nulles zudumiem. Bet kontakta pretestība ir nelielas mikroomu daļas, tāpēc pat pie 500 A strāvas tur izdalās tikai milivatu daļas.

Protams, populārzinātniskā rakstā lasītājs meklē vairāk izklaides... Šeit ir daži video no maniem eksperimentiem ar otrās paaudzes augstas temperatūras supravadošo lenti:

Pēdējais video tika ierakstīts YouTube komentāra iespaidā, kurā autors apgalvoja, ka supravadītspēja neeksistē, un magnēta levitācija ir pilnīgi neatkarīgs efekts, aicinot ikvienu pārliecināties par savu pareizību, tieši izmērot pretestību. Kā redzam, supravadītspēja joprojām pastāv.

Pirms neilga laika augstas temperatūras supravadītspējas (HTSC) fenomens interesēja tikai zinātniekus. Tomēr šodien elektroenerģijas iekārtu tirgū ienāk komerciāli izdevīgi produkti, kuru pamatā ir HTSC, tostarp tie, kas ražoti Krievijā. HTSC var veikt izrāvienu enerģijas pārvades tehnoloģijās.

HTSC nemaz nav karsts

Divdesmitā gadsimta sākumā tika atklāts, ka vairākiem metāliem un sakausējumiem ir raksturīga supravadītspēja, tas ir, spēja nodrošināt nulles pretestību temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei (apmēram –270°C). Ilgu laiku supravadītājus varēja izmantot tikai šķidrā hēlija temperatūrā, kas ļāva izveidot akseleratora aprīkojumu un magnētiskā rezonanse tomogrāfi.

1986. gadā aptuveni 30K temperatūrā tika atklāta supravadītspēja, kam tika piešķirta Nobela prēmija, un 90. gadu sākumā. Jau pie 138K bija iespējams panākt supravadītspēju, un kā supravadītājs tika izmantoti nevis metāli, bet oksīdu savienojumi.
Keramikas materiālus, kuriem ir nulles pretestība temperatūrā, kas pārsniedz šķidrā slāpekļa temperatūru (77 K), sauc par augstas temperatūras supravadītājiem (HTSC). Tomēr, ja mēs pārrēķināsim Kelvinu uz mums pazīstamākiem grādiem pēc Celsija, mēs sapratīsim, ka runa ir par ne pārāk augstu temperatūru, teiksim, apmēram mīnus 169–200 ° C. Pat skarbā Krievijas ziema nespēj nodrošināt šādus apstākļus.

Pētnieku prātus sajūsmina ideja atrast materiālus, kurus var pārnest uz supravadītspēju stāvoklis istabas temperatūrā (293K). Teorētiski šāda iespēja pastāv. Saskaņā ar dažiem ziņojumiem supravadīšanas īpašības tika konstatētas pat atsevišķos grafīta graudos pēc īpašas apstrādes. Mūsdienās “istabas temperatūras” supravadītāju (RTSC) meklēšana tiek uzskatīta par vienu no galvenajiem pētniecības uzdevumiem nanotehnoloģiju jomā. Tomēr rītdienas jautājums joprojām ir ne tikai praktiskais pielietojums, bet arī uzticams eksperimentālais apstiprinājums. Mūsdienu elektroenerģijas nozare apgūst augstas temperatūras supravadītāju izmantošanu.

Iekārtām, kuru pamatā ir augstas temperatūras supravadītspēja, nepieciešama dzesēšana ar šķidro slāpekli. Pēc nozares ekspertu domām, tas ir salīdzinoši lēts un ērts aukstumnesējs, kas nodrošina 77K temperatūru un ļauj realizēt praktiskus projektus.

Supravadītspējas priekšrocības

Supravadītspēja var būt (un jau tiek izmantota) dažādās jomās. To vispirms izmantoja, lai izveidotu augsta lauka magnētus. Ar supravadītāju palīdzību var panākt magnētisko levitāciju, kas ļauj ātrgaitas vilcieniem kustēties vienmērīgi, bez trokšņa un berzes. Tiek radīti HTSC elektromotori kuģiem un rūpniecība, kuriem ir ievērojami mazāki svara un izmēra parametri ar vienādu jaudu. Supravadītspēja ir interesanta no mikroelektronikas un datortehnoloģiju viedokļa. Zemas temperatūras supravadītājus izmanto medicīniskās diagnostikas ierīcēs (tomogrāfos) un pat tādos eksotiskos “megazinātnes” projektos kā Lielais hadronu paātrinātājs un Starptautiskais kodoltermiskais reaktors.

Augstas temperatūras supravadītspēja ir saistīta ar cerībām pārvarēt globālo enerģijas dilemmu, kas saistīta, no vienas puses, ar pastāvīgu enerģijas patēriņa pieaugumu tagadnē un nākotnē, un, no otras puses, ar nepieciešamību radikāli samazināt oglekļa emisijas, lai novērstu klimata pārmaiņas. Galu galā būtībā HTSC izceļ parasto aprīkojumu elektroenerģijas ražošanai un pārvadīšanai pēc principa jauns līmenis efektivitātes ziņā.

Viens no acīmredzamākajiem supravadītāju pielietojumiem ir elektroenerģijas pārvade. HTS kabeļi var pārraidīt ievērojamu jaudu ar minimālu šķērsgriezumu, tas ir, to caurlaidspēja atšķiras no tradicionālajiem kabeļiem. Kad strāva iet caur supravadītāju, siltums nerodas un praktiski nav zudumu, kas atrisina galveno sadales tīklu problēmu.

Ģeneratori, pateicoties tinumiem izgatavots no supravadītāja materiāli, kas nodrošina milzīgus magnētiskos laukus, kļūst daudz jaudīgāki. Piemēram, Siemens koncerns ir uzbūvējis trīs HTSC ģeneratorus ar jaudu līdz 4 MW. Iekārta ir divas reizes vieglāka un mazāka, salīdzinot ar parasto tādas pašas jaudas ģeneratoru. Tāpat HTSC ģenerators uzrādīja lielāku sprieguma stabilitāti, mainoties slodzei, un labāku veiktspēju attiecībā uz reaktīvās jaudas patēriņu.

Mūsdienās pasaulē tiek aktīvi izstrādāti vēja ģeneratori, kuru pamatā ir augstas temperatūras supravadītspēja. Izmantojot HTSC tinumi ļauj izveidot 10 MW HTSC ģeneratorus, kas būs 2–4 reizes vieglāki nekā parastie.

Perspektīva supravadītāju plašās izmantošanas joma ir enerģijas uzkrāšanas ierīces, kuru loma ir liela arī no modernu, atjaunojamos energoresursus izmantojošu energosistēmu attīstības viedokļa. Pat pazīstamas elektriskās iekārtas, piemēram, transformatori, pateicoties HTSC, iegūst kvalitatīvi jaunas īpašības.

Supravadītspēja ļauj izveidot tādas neparastas ierīces kā īssavienojuma strāvas ierobežotājus, kas pilnībā automātiski ierobežo strāvu īssavienojuma laikā un automātiski ieslēgts, kad tiek noņemts īssavienojums.

Otrās paaudzes lente

Kura no šīm daudzsološajām idejām jau ir īstenota praksē un ar kuras pūlēm? Pirmkārt, jāatzīmē, ka šodien tirgū tiek piedāvāti pirmās un otrās paaudzes augstas temperatūras supravadītāji (HTSC-1 un HTSC-2). Līdz šim saražotās produkcijas apjoma ziņā VTSP-1 joprojām uzvar, taču ekspertiem ir skaidrs, ka nākotnē supravadītājiem otrā paaudze. Tas ir saistīts ar faktu, ka HTSC-2 supravadītāju konstrukcijā vairāk nekā 70% ir matrica, kas izgatavota no sudraba.

Viens no galvenajiem Krievijas uzņēmumiem, kas strādā pie otrās paaudzes supravadītāju tēmas, ir SuperOx CJSC. Tas radās Lomonosova Maskavas Valsts universitātes sienās, kur Ķīmijas fakultātes zinātniskā grupa strādāja pie supravadītāju plānu kārtiņu nogulsnēšanas tehnoloģijas. 2006. gadā, balstoties uz uzkrātajām zināšanām, tika uzsākts komerciāls projekts, lai izveidotu 2. paaudzes HTSC vadu iekšzemes ražošanu.

2011. gadā SuperOx interešu sfēra tika paplašināta, cieši sadarbojoties ar jaunizveidoto uzņēmumu SuperOx Japan LLC. Tika izveidota izmēģinājuma ražošanas līnija, kas ļauj ražot HTSC vadu ar kritisko strāvu līdz 500 A/cm platumā. Kopš 2011. gada uzņēmums SuperOx-Innovations ir arī Skolkovo iedzīvotājs, kur veic lietišķos pētījumus, kuru mērķis ir optimizēt otrās paaudzes HTSC lentu tehniskos parametrus un izstrādā dažādas tehnoloģijas šo materiālu ražošanai. 2013. gadā Maskavas Slavas tehnoloģiju parkā tika uzsākta lentes VTSP-2 ražošana.

“Mūsu produkts, otrās paaudzes supravadītāja lente, ir substrāts, kas izgatavots no īpaša nerūsējošā tērauda, ​​kas ir izturīgs pret augstām temperatūrām, kas pēc tam nezaudē savas mehāniskās īpašības, uzklājot plānas kārtiņas,” stāsta Vadims Ameļičevs, SuperOx AS vadošais speciālists. - Izmantojot īpašas metodes, uz šī substrāta tiek uzklāti buferoksīda slāņi, un kā funkcionāls slānis tiek uzklāta gadolīnija-bārija kuprāta plēve. Pēc tam šo struktūru pārklāj ar plāniem sudraba vai vara slāņiem un izmanto kā tādu. supravadītē ierīces.

Šim materiālam, kura plēves biezums ir tikai viens vai divi mikroni, strāvas pārvades jauda ir aptuveni 500 A uz 1 mm² šķērsgriezuma, tas ir, simtiem reižu vairāk nekā parastam vara kabelim. Attiecīgi šī lente ir ideāli piemērota lietojumiem, kur nepieciešama liela strāva. Galvenās pielietojuma jomas ir kabeļi lielām strāvām, magnēti lieliem laukiem.

SuperOx ir pilns VTSP-2 lentes ražošanas cikls. Šī inovatīvā produkta tirdzniecība sākās 2012. gadā, un tagad materiāls tiek piegādāts ne tikai uz Krieviju, bet un eksportēts uz deviņām valstīm, tostarp Eiropas Savienību, Japānu, Taivānu un Jaunzēlandi.
“Pasaulē nav daudz VTSP-2 lentes ražotāju,” skaidro Vadims Ameļičevs. - Ir divi amerikāņu uzņēmumi, uzņēmumi Dienvidkorejā un Japānā. Eiropā neviens, izņemot mūs, šādu lenti rūpnieciskā mērogā neražo. Mūsu lente tika pārbaudīta daudzos pētniecības centros un apstiprināja tās konkurētspēju tās īpašības."

Attīstīt jaunu nozari

"Neskatoties uz to, ka augstas temperatūras supravadītspēja ir parādījusies diezgan nesen, jautājumi par tās pielietojumu tehnoloģijā tiek intensīvi pētīti tehnoloģiski attīstītajām pasaules valstīm,” saka Viktors Pančirnijs, tehnisko zinātņu doktors, Krievijas Federācijas AES pilntiesīgs biedrs, AS Russian Superconductor attīstības direktors, “Mūsu valstī Krievijas prezidenta pakļautības komisijas ietvaros. Modernizācijas federācija un tehnoloģiskie Krievijas ekonomikas attīstībai projekts “Supravadītāju rūpniecība” tika uzsākts kā daļa no projekta “Inovatīva enerģija” prioritārajā jomā “Energoefektivitāte”.

Šo supravadītāju nozares projektu koordinē Krievijas Superconductor uzņēmums, ko izveidojusi valsts korporācija Rosatom. Piecu gadu periodā no 2011. līdz 2015. gadam viņi plāno radīt konkurētspējīgas tehnoloģijas augstas temperatūras otrās paaudzes supravadītāju ražošanai, garu (līdz 1000 m) HTSP-2 lentes vadu izmēģinājuma ražošanai, kā arī izstrādāt prototipus. iekārtas, kuru pamatā ir HTSP-2 vadi elektroenerģijas nozarei. Tie ir ģeneratori lieljaudas un strāvas ierobežotāji (COT), un kinētiskās enerģijas uzkrāšanas ierīces (KNE), kā arī jaudīgi strāvas vadi magnētiskajām sistēmām, induktīvās enerģijas uzkrāšanas ierīces (SPIN), transformatori, lieljaudas elektromotori.

Sākot ar 2016. gadu, plānots uzsākt HTSC-2 vadu un vairāku uz tiem balstītu ierīču sērijveida ražošanu. Darbā pie šī projekta ir iesaistītas aptuveni 30 organizācijas, tostarp universitātes, akadēmiskie un nozaru pētniecības centri, projektēšanas biroji un industriālās organizācijas, jo īpaši AS VNIINM, AS NIIEFA, AS NIITFA, AS GIREDMET, AS "NIFHI", AS TVEL, AS "Tochmash" un ārpus tā, Nacionālajā pētniecības centrā "Kurchatov Institute", ENIN viņiem. Kržižanovskis, FSBEI MAI, NRNU MEPhI, SUAI, AS Rosseti, AS STC FGC UES, JSC SuperOx, AS VNIIKP, JSC NIIEM, OKB Yakor utt.

“Strukturāli projekts sastāv no deviņiem paralēli veiktiem uzdevumiem,” skaidro Viktors Pančirnijs. - No 2011. līdz 2013. gadam izdevās izveidot pirmos sadzīves supravadītāju mašīnu prototipus - 50 kW motoru un ģeneratoru, 0,5 MJ kinētiskās enerģijas uzkrāšanas ierīci, 3,5 MW supravadošo īsslēguma strāvas ierobežotāju 3,5 kV elektrotīkliem, 10 kVA supravadošo transformatoru, strāvas vadus magnētiskajām sistēmām, kas šķērso 1500A strāvu.

Ir izveidoti arī VTSP-2 lentes vadu pilnībā pašmāju ražošanas tehnoloģijas pamati, sākot no izejvielām un beidzot ar gatavās produkcijas uzraudzības metodēm. Tika atrasti pamata tehnoloģiskie risinājumi, kas ļāva pāriet uz pilna mēroga energoierīču prototipu izveidi. Tādējādi šobrīd tiek pabeigts darbs pie 200 kW dzinēja izveides.

Pateicoties HTSP-2 tinumu izmantošanai, šāds motors ir uzstādīts elektromobilim(elektriskais autobuss) palielinās nobraukumu starp akumulatora uzlādēm par 15–20%. Izgatavots un tiek gatavots testēšanai dzelzceļa transporta tīklā supravadošs īsslēguma strāvas ierobežotājs ar jaudu lielāku par 7 MVA. Tiek pabeigta 1 MVA ģeneratora ražošana, kas solās izmantot vēja elektrostacijās.
Uz unikālām Rosatom tehnoloģijām tiek veidota kinētiskās enerģijas uzkrāšanas iekārta ar supravadītspēju spararatu piekare, kuras enerģijas intensitāte ir lielāka par 7 MJ. Ir vērts atzīmēt induktīvās enerģijas uzkrāšanas ierīces attīstību, kas ārkārtīgi īsā laikā spēj atbrīvot uzkrāto enerģiju līdz pat vairākiem MJ. Noslēguma stadijā ir arī darbs pie supravadoša transformatora ar 1000 kVA jaudu izveides.

“Turklāt svarīgākie projekta rezultāti būs jaudīga eksperimentāla izveide un tehnoloģiskie bāzes, kā arī augsti kvalificētu speciālistu komandu veidošanu supravadītāju tehnoloģiju jomā, secina Viktors Pančirnijs. - Šogad Kurčatova institūta pētniecības centrā tiks uzsākta visaptveroša ražošanas un pētniecības līnija HTSC-2 sloksnes supravadītāju ražošanai ar lāzerablāciju. Līnija kļūs par instrumentu HTSC materiālu zinātnes un tehnoloģiju attīstībai, maksimāli izmantojot Kurčatovas NBICS centra jaudīgo zinātnisko infrastruktūru. Tas ļaus intensīvi attīstīt daudzsološu augsto tehnoloģiju jomu vadošo komercializācijas virzienā supravadīšanas tehnoloģijas".

Maiņstrāvas kabeļi

Nevar nerunāt par Krievijas projektu izveidot supravadošu kabeli 200 m garumā.Viņi strādāja pie kabeļa izveides AAS "Enerģētika institūts viņiem. G.M. Kržižanovskis"(ENIN), OJSC "Visu krievu Kabeļu rūpniecības zinātniski pētnieciskais institūts (VNIIKP), Maskavas Aviācijas institūts un OJSC Elektroenerģijas zinātniski tehniskais centrs. Izstrāde sākās 2005. gadā, 2009. gadā tika izveidots prototips, kas tika veiksmīgi testēts speciāli izveidotā unikālā izmēģinājumu poligonā.

Galvenās HTSC kabeļa priekšrocības ir liela strāvas slodze, zemi zudumi, videi draudzīgums un ugunsdrošība. Turklāt, pārraidot lielu jaudu pa šādu kabeli ar spriegumu 10–20 kV, starpposma apakšstacijas nav nepieciešamas.

HTSC kabelis ir sarežģīta daudzslāņu struktūra. Centrālais atbalsta elements ir izgatavots nerūsējošā tērauda spirāles formā, ko ieskauj vara un nerūsējošā tērauda stiepļu saišķis, kas aptīts ar vara lenti. Virs centrālā elementa tiek uzklāti divi supravadošo lentu slāņi, un virsū ir uzlikta augstsprieguma izolācija. Tam seko supravadoša ekrāna uzlikšana, elastīgu vara lentu slānis, kas aptīts ar nerūsējošā tērauda lenti. Katra kabeļa serde ir ievilkta savā elastīgā kriostatā 200 m garumā.

Šīs daudzkomponentu struktūras izveidi apgrūtina fakts, ka HTSC lente ir ārkārtīgi jutīga.Galvenā daļa tehnoloģisko darbību tika veikta uz AS VNIIKP bāzes. Tomēr augstsprieguma izolācijas ražošanai kabelis tika transportēts uz Permu uz Kamsky Kabel rūpnīcu.

“Mēs veicām papīra izolācijas uzlikšanu HTSC kabelim,” stāsta Kamsky Cable LLC galvenā tehnologa vietnieks Aleksandrs Azanovs. - Tika izmantota unikāla iekārta, kas iepriekš tika izmantota ar eļļu pildītu augstsprieguma kabeļu ražošanā. Tāpēc netika taupīti līdzekļi, nogādājot pusfabrikātu no Maskavas uz Permu un atpakaļ. Un domāju, ka pagaidām šādu speciālu kabeļu ražošanai vēlams izmantot unikālas iekārtas, kas uzstādītas dažādās rūpnīcās, nevis organizēt ražošanu vienuviet.

Tuvākajā nākotnē šī kabeļa sērijveida ražošanas organizēšana mūsu vai jebkurā citā rūpnīcā ir maz ticama, jo tiks uzstādītas līnijas ar supravadītājiem To ražo ārkārtīgi reti un ļoti īsos garumos (ne vairāk kā 1 km). Galvenais iemesls tam ir HTSC kabeļu izmaksas un to uzturēšana (nepieciešams pastāvīgi sūknēt šķidro slāpekli caur kabeli).

Līdzstrāvas kabeļi

Šodien turpinās attīstība HTSC kabeļu izveides jomā. AS FGC UES un AS Zinātniskais un tehniskais centrs FGC UES veic kopīgu pētniecību un izstrādi “Augstas temperatūras supravadošas līdzstrāvas kabeļu līnijas izveide spriegumam 20 kV ar strāvu 2500 A un garumā līdz 2500 m. Pirmais nākotnes novatoriskās enerģijas pārvades sistēmas prototips - divas 30 m bipolāra HTSC kabeļa sekcijas, kas izstrādātas FGC UES Zinātniskajā un tehniskajā centrā un ražotas Irkutskabelas rūpnīcā - veiksmīgi izturēja pašreizējos testus. un augstspriegums pārbaudes 2013. gadā

2014. gada novembrī notika inovatīvās elektroenerģijas pārvades pārveidošanas iekārtu komplekta testi ar jaudu 50 MW izmantojot vairākus simtus metru garš supravadošs kabelis. HTSC kabeļa izmantošana elektroenerģijas piegādei lielajām pilsētām ļaus samazināt zemes piešķīrumu un atkritumu platību no būvniecības gaisvadu līnijas un samazināt elektroenerģijas zudumus.

FGC UES pētniecības un attīstības centrs atzīmē, ka līdzstrāvas kabeļu līnijai, kuras pamatā ir HTSC, ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar maiņstrāvas līniju. Tas ļauj ne tikai pārraidīt jaudu ar minimāliem zudumiem, bet arī ierobežot īssavienojuma strāvas, regulēt reaktīvo jaudu, kontrolēt jaudas plūsmas un nodrošināt tās pretējo.

“Patīkami apzināties, ka Krievijas HTSC kabeļu izstrādātāji ir priekšgalā,” saka Vitālijs Visockis, tehnisko zinātņu doktors, Krievijas Zinātņu akadēmijas akadēmiķis, zinātniskā virziena direktors - vadītājs. a/s "VNIIKP" supravadošo vadu un kabeļu nodaļa. - Piemēram, 200 m kabelis bija lielākais Eiropā 2009.–2013. gadā, un tikai 2014. gadā Vācijā tika uzstādīts 1 km kabelis. Taču šis rekords tiks pārspēts arī ar 2,5 km kabeļa testēšanu Sanktpēterburgai.”

No valsts atbalsta līdz privātajām investīcijām

Eksperti prognozē diezgan aktīvu globālā un Krievijas supravadītāju tirgus attīstību. Tādējādi SuperOx CJSC direktoru padomes priekšsēdētājs Andrejs Vavilovs atzīmē, ka globālā HTSC tirgus apjoms katru gadu dubultojas un 2017. gadā sasniegs 1 miljardu dolāru, savukārt Krievijas Federācijas daļa pasaules tirgū vērtējama aptuveni 10%.

"Elektroenerģētikas nozares supravadītspējas tirgum ir jāattīstās, jo enerģijas patēriņa blīvums nepārtraukti pieaug un bez supravadītspējas nav iespējams apmierināt augošās prasības," saka Vitālijs Visockis. – Tomēr enerģētiķi ir ļoti konservatīvi attiecībā pret visu jauno un pat un dārgi. Tāpēc pagaidām galvenais uzdevums ir ar valsts organizāciju atbalstu veicināt jaunus projektus. Tas būs pierādījums supravadītāju ierīču uzticamībai un efektivitātei. Jaunu projektu rašanās radīs pieprasījumu pēc HTSC lentu ražošanas, palielinās to izlaidi un samazinās cenas, kas atkal palīdzēs tirgus attīstībai.

“Šajā posmā visu izvirzīto uzdevumu komplekss risinājums nav iespējams bez pilnīgas valsts palīdzības, taču ar katru gadu pieaug HTSC tehnoloģiju investīciju pievilcība, kas ļauj ar lielu pārliecību sagaidīt privāto investīciju pieplūdumu. tā tālākajā komerciālajā attīstībā,” piekrīt kolēģim Viktoram Pančirnjam.
Speciālisti ir gandarīti, ka kopumā valstiskā līmenī ir izpratne par supravadītāju tehnoloģiju nozīmi.
“Supravadītāju nozares attīstībai ir valsts nozīme un tā ir svarīga pārejas sastāvdaļa uz novatorisku valsts ekonomikas attīstības ceļš. Tas nesen tika paziņots Krievijas Federācijas Federālās asamblejas Valsts domes Enerģētikas komitejas priekšsēdētāja pakļautībā esošās Konsultatīvās padomes paplašinātajā sanāksmē, kurā īpaši tika atzīmēts, ka, lai nodrošinātu Krievijas Federācijas Federālās asamblejas ekonomisko un politisko neatkarību. Krievija, stratēģiski ir nepieciešams, lai vietējā ražošana būtu zema un augsta temperatūra supravadošie materiāli, supravadīšanas ierīces un uz tiem balstīti izstrādājumi,” ziņo Viktors Pančirnijs.

Nākotnes plāni

Lūdzām ekspertus novērtēt, kuri supravadītspējas pielietojumi, viņuprāt, ir visdaudzsološākie un kur mēs varam sagaidīt tehnoloģiju komerciālu izmantošanu tuvākajos gados.

“Tāpat kā visā pasaulē, supravadītāju kabeļu projekti šobrīd ir visprogresīvākie Krievijā. Viņiem ir jāattīstās un, mēs ceram, arī attīstīsies,” saka Vitālijs Visockis. - Supravadošie kabeļi, kuru pamatā ir HTSC, jau ir tīri komerciāls produkts, lai gan tie joprojām ir diezgan dārgi. Tas kļūs lētāks, kad sāksies tā plašā ieviešana un būs nepieciešams ievērojams daudzums HTSC lentu, kas samazinās izmaksas to ražošana.

Tomēr, manuprāt, visnepieciešamākais un pieprasīti elektroenerģijas nozarei ir supravadoši īsslēguma strāvas ierobežotāji 100 kV un augstākiem sprieguma līmeņiem. Parastās šīs sprieguma klases ierīces vienkārši nepastāv, un bez supravadītspējas vienkārši nevar iztikt. Par šādiem projektiem mūsu valstī jau tiek runāts. Turklāt, manuprāt, HTSC mašīnām vēja ģeneratoriem ir labas izredzes. Tie sola būtisku (vairākas reizes) viena ģeneratora svara samazinājumu un vienības jaudas pieaugumu.

“Šodien supravadītāju produktu tirgus attīstības virzītājspēks ir elektroenerģijas nozare (barošanas kabeļi un strāvas ierobežotāji), saka Andrejs Vavilovs. "Bet arī daudzās citās nozarēs ir ievērojams potenciāls. Piemēram, mūsdienās tiek izstrādātas iespējas izmantot HTSC vadu kā efektīvu zemas temperatūras supravadītāju aizstājēju paātrinātāju tehnoloģijā, ko izmanto zinātnē, izotopu ražošanā un medicīnā. Krievijai šajā jomā ir lieli plāni, jo īpaši modernā NICA kolidera celtniecība Dubnā.

Efektīvu rotējošu mašīnu izveidei ar unikālām vilces īpašībām, mazu masu un svaru ir liels potenciāls. Šādi dzinēji ir pieprasīti galvenokārt, lai nodrošinātu lielu kuģu kustību, un var izmantot ģeneratorus atjaunojamā enerģiju.

Magnētiskās levitācijas fenomens šodien paver pilnīgi jaunas perspektīvas. Tās ir ne tikai transporta sistēmas, bet arī bezkontakta manipulatori, kā arī izturīgi gultņi ar plašu pielietojumu.”

“Augstas temperatūras supravadītspējas tālākai attīstībai būs izteikta multiplikatīva ietekme ne tikai elektroenerģijas nozarē, bet arī citās nozarēs, piemēram, kosmosa, aviācijas, jūras, automobiļu rūpniecībā un dzelzceļu transports, mašīnbūve, metalurģija, elektronika, medicīna, akseleratoru tehnoloģija. Supravadītspējas tehnoloģijas ir svarīgas arī valsts aizsardzības spēju stiprināšanai,” ir pārliecināts Viktors Pančirnijs.

Vārdu sakot, uz supravadītspēju balstītu tehnoloģiju tālāka attīstība paver cilvēcei milzīgas perspektīvas un jau pārskatāmā nākotnē.

Supravadītājs ved Krieviju uz priekšu

Pirms neilga laika augstas temperatūras supravadītspējas (HTSC) fenomens interesēja tikai zinātniekus. Tomēr šodien elektroenerģijas iekārtu tirgū ienāk komerciāli izdevīgi produkti, kuru pamatā ir HTSC, tostarp tie, kas ražoti Krievijā.

Divdesmitā gadsimta sākumā tika atklāts, ka vairākiem metāliem un sakausējumiem ir raksturīga supravadītspēja, tas ir, spēja nodrošināt nulles pretestību temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei (apmēram -270°C). Ilgu laiku supravadītājus varēja izmantot tikai šķidrā hēlija temperatūrā, kas ļāva izveidot akseleratora iekārtas un magnētiskās rezonanses skenerus.

1986. gadā aptuveni 30K temperatūrā tika atklāta supravadītspēja, kam tika piešķirta Nobela prēmija, un 90. gadu sākumā. Jau pie 138K bija iespējams panākt supravadītspēju, un kā supravadītājs tika izmantoti nevis metāli, bet oksīdu savienojumi.

Keramikas materiālus, kuriem ir nulles pretestība temperatūrā, kas pārsniedz šķidrā slāpekļa temperatūru (77 K), sauc par augstas temperatūras supravadītājiem (HTSC). Tomēr, ja mēs pārrēķināsim Kelvinu uz mums pazīstamākiem grādiem pēc Celsija, mēs sapratīsim, ka runa ir par ne pārāk augstu temperatūru, teiksim, apmēram mīnus 169–200 ° C. Pat skarbā Krievijas ziema nespēj nodrošināt šādus apstākļus.
Pētnieku prātus sajūsmina ideja atrast materiālus, kas istabas temperatūrā (293K) spēj pāriet supravadītājā stāvoklī. Teorētiski šāda iespēja pastāv. Saskaņā ar dažiem ziņojumiem supravadīšanas īpašības tika konstatētas pat atsevišķos grafīta graudos pēc īpašas apstrādes. Mūsdienās “istabas temperatūras” supravadītāju (RTSC) meklēšana tiek uzskatīta par vienu no galvenajiem pētniecības uzdevumiem nanotehnoloģiju jomā. Tomēr rītdienas jautājums joprojām ir ne tikai praktiskais pielietojums, bet arī uzticams eksperimentālais apstiprinājums. Mūsdienu elektroenerģijas nozare apgūst augstas temperatūras supravadītāju izmantošanu.

Iekārtām, kuru pamatā ir augstas temperatūras supravadītspēja, nepieciešama dzesēšana ar šķidro slāpekli. Pēc nozares ekspertu domām, tas ir salīdzinoši lēts un ērts aukstumnesējs, kas nodrošina 77K temperatūru un ļauj realizēt praktiskus projektus.

Supravadītspējas priekšrocības

Supravadītspēja var būt (un jau tiek izmantota) dažādās jomās. To vispirms izmantoja, lai izveidotu augsta lauka magnētus. Ar supravadītāju palīdzību var panākt magnētisko levitāciju, kas ļauj ātrgaitas vilcieniem kustēties vienmērīgi, bez trokšņa un berzes. Kuģiem un rūpniecībai tiek radīti augstas temperatūras supravadītāju (HTSC) elektromotori, kuriem ar vienādu jaudu ir ievērojami mazāki svara un izmēra parametri. Supravadītspēja ir interesanta no mikroelektronikas un datortehnoloģiju viedokļa. Zemas temperatūras supravadītājus izmanto medicīniskās diagnostikas ierīcēs (tomogrāfos) un pat tādos eksotiskos “megazinātnes” projektos kā Lielais hadronu paātrinātājs un Starptautiskais kodoltermiskais reaktors.

Augstas temperatūras supravadītspēja ir solījums pārvarēt globālo enerģētikas dilemmu, kas, no vienas puses, saistīta ar pastāvīgu enerģijas patēriņa pieaugumu tagadnē un nākotnē, un, no otras puses, ar nepieciešamību radikāli samazināt oglekļa dioksīda emisijas, lai novērstu klimatu. mainīt. Patiešām, būtībā HTSC paaugstina parasto elektroenerģijas ražošanas un pārvades aprīkojumu principiāli jaunā efektivitātes līmenī.

Viens no acīmredzamākajiem supravadītāju pielietojumiem ir elektroenerģijas pārvade. HTS kabeļi var pārraidīt ievērojamu jaudu ar minimālu šķērsgriezumu, tas ir, to caurlaidspēja atšķiras no tradicionālajiem kabeļiem. Kad strāva iet caur supravadītāju, siltums nerodas un praktiski nav zudumu, kas atrisina galveno sadales tīklu problēmu.

Ģeneratori, pateicoties tinumiem, kas izgatavoti no supravadošiem materiāliem, kas nodrošina milzīgus magnētiskos laukus, kļūst ievērojami jaudīgāki. Piemēram, Siemens koncerns ir uzbūvējis trīs HTSC ģeneratorus ar jaudu līdz 4 MW. Iekārta ir divas reizes vieglāka un mazāka, salīdzinot ar parasto tādas pašas jaudas ģeneratoru. Tāpat HTSC ģenerators uzrādīja lielāku sprieguma stabilitāti, mainoties slodzei, un labāku veiktspēju attiecībā uz reaktīvās jaudas patēriņu.

Mūsdienās pasaulē tiek aktīvi izstrādāti vēja ģeneratori, kuru pamatā ir augstas temperatūras supravadītspēja. Izmantojot HTSC tinumus, iespējams izveidot HTSC ģeneratorus ar jaudu 10 MW, kas būs 2–4 reizes vieglāki par parastajiem.

Perspektīva supravadītāju plašās izmantošanas joma ir enerģijas uzkrāšanas ierīces, kuru loma ir liela arī no modernu, atjaunojamos energoresursus izmantojošu energosistēmu attīstības viedokļa. Pat pazīstamas elektriskās iekārtas, piemēram, transformatori, pateicoties HTSC, iegūst kvalitatīvi jaunas īpašības.

Supravadītspēja ļauj izveidot tādas neparastas ierīces kā īssavienojuma strāvas ierobežotājus, kas pilnībā automātiski ierobežo strāvu īssavienojuma laikā un automātiski ieslēdzas, kad īssavienojums tiek noņemts.

Otrās paaudzes lente

Kura no šīm daudzsološajām idejām jau ir īstenota praksē un ar kuras pūlēm? Pirmkārt, jāatzīmē, ka šodien tirgū tiek piedāvāti pirmās un otrās paaudzes augstas temperatūras supravadītāji (HTSC-1 un HTSC-2). Līdz šim saražotās produkcijas apjoma ziņā VTSP-1 joprojām uzvar, taču ekspertiem ir acīmredzams, ka nākotne pieder otrās paaudzes supravadītājiem. Tas ir saistīts ar faktu, ka HTSC-2 supravadītāju konstrukcijā vairāk nekā 70% ir matrica, kas izgatavota no sudraba.

Viens no galvenajiem Krievijas uzņēmumiem, kas strādā pie otrās paaudzes supravadītāju tēmas, ir SuperOx CJSC. Tas radās Lomonosova Maskavas Valsts universitātes sienās, kur Ķīmijas fakultātes zinātniskā grupa strādāja pie supravadītāju plānu kārtiņu nogulsnēšanas tehnoloģijas. 2006. gadā, balstoties uz uzkrātajām zināšanām, tika uzsākts komerciāls projekts, lai izveidotu 2. paaudzes HTSC vadu iekšzemes ražošanu.

2011. gadā SuperOx interešu sfēra tika paplašināta, cieši sadarbojoties ar jaunizveidoto uzņēmumu SuperOx Japan LLC. Tika izveidota izmēģinājuma ražošanas līnija, kas ļauj ražot HTSC vadu ar kritisko strāvu līdz 500 A/cm platumā. Kopš 2011. gada uzņēmums SuperOx-Innovations ir arī Skolkovo iedzīvotājs, kur veic lietišķos pētījumus, kuru mērķis ir optimizēt otrās paaudzes HTSC lentu tehniskos parametrus un izstrādā dažādas tehnoloģijas šo materiālu ražošanai. 2013. gadā Maskavas Slavas tehnoloģiju parkā tika uzsākta lentes VTSP-2 ražošana.

"Mūsu produkts, otrās paaudzes supravadītāja lente, ir pamatne, kas izgatavota no īpaša nerūsējošā tērauda, ​​kas ir izturīgs pret augstām temperatūrām, kas pēc tam nezaudē savas mehāniskās īpašības, uzklājot plānas kārtiņas," saka Vadims Ameļičevs, SuperOx AS vadošais speciālists. - Izmantojot īpašas metodes, uz šī substrāta tiek uzklāti buferoksīda slāņi, un kā funkcionāls slānis tiek uzklāta gadolīnija-bārija kuprāta plēve. Pēc tam šo struktūru pārklāj ar plāniem sudraba vai vara slāņiem un izmanto supravadītājos.
Šim materiālam, kura plēves biezums ir tikai viens vai divi mikroni, strāvas pārvades jauda ir aptuveni 500 A uz 1 mm² šķērsgriezuma, tas ir, simtiem reižu vairāk nekā parastam vara kabelim. Attiecīgi šī lente ir ideāli piemērota lietojumiem, kur nepieciešama liela strāva. Galvenās pielietojuma jomas ir kabeļi lielām strāvām, magnēti lieliem laukiem.

SuperOx ir pilns VTSP-2 lentes ražošanas cikls. Šī inovatīvā produkta tirdzniecība sākās 2012. gadā, un šobrīd materiāls tiek piegādāts ne tikai uz Krieviju, bet arī tiek eksportēts uz deviņām valstīm, tostarp Eiropas Savienību, Japānu, Taivānu un Jaunzēlandi.

“Pasaulē nav daudz VTSP-2 lentes ražotāju,” skaidro Vadims Ameļičevs. - Ir divi amerikāņu uzņēmumi, uzņēmumi Dienvidkorejā un Japānā. Eiropā neviens, izņemot mūs, šādu lenti rūpnieciskā mērogā neražo. Mūsu lente tika pārbaudīta daudzos pētniecības centros un apstiprināja tās īpašību konkurētspēju.

Attīstīt jaunu nozari

"Neskatoties uz to, ka augstas temperatūras supravadītspēja ir parādījusies pavisam nesen, tās pielietošanas jautājumi tehnoloģijās tiek intensīvi pētīti tehnoloģiski attīstītajās pasaules valstīs," saka Viktors Pančirnijs, tehnisko zinātņu doktors, AES pilntiesīgs loceklis. Krievijas Federācija, AS Russian Superconductor attīstības direktors. , - Mūsu valstī Krievijas Federācijas prezidenta pakļautībā esošās Krievijas ekonomikas modernizācijas un tehnoloģiskās attīstības komisijas ietvaros tika uzsākts projekts “Supervadītāju rūpniecība”. projekta “Inovatīva enerģija” prioritārajā jomā “Energoefektivitāte”.

Šo supravadītāju nozares projektu koordinē Krievijas Superconductor uzņēmums, ko izveidojusi valsts korporācija Rosatom. Piecu gadu periodā no 2011. līdz 2015. gadam viņi plāno radīt konkurētspējīgas tehnoloģijas augstas temperatūras otrās paaudzes supravadītāju ražošanai, garu (līdz 1000 m) HTSP-2 lentes vadu izmēģinājuma ražošanai, kā arī izstrādāt prototipus. iekārtas, kuru pamatā ir HTSP-2 vadi elektroenerģijas nozarei. Tajos ietilpst lieljaudas ģeneratori, strāvas ierobežotāji (COT) un kinētiskās enerģijas uzglabāšanas ierīces (KES), kā arī jaudīgi strāvas vadi magnētiskajām sistēmām, induktīvās enerģijas uzglabāšanas ierīces (SPIN), transformatori un lieljaudas elektromotori.

Sākot ar 2016. gadu, plānots uzsākt HTSC-2 vadu un vairāku uz tiem balstītu ierīču sērijveida ražošanu. Darbā pie šī projekta ir iesaistītas aptuveni 30 organizācijas, tostarp universitātes, akadēmiskie un nozaru pētniecības centri, projektēšanas biroji un industriālās organizācijas, jo īpaši AS VNIINM, AS NIIEFA, AS NIITFA, AS GIREDMET, AS "NIFHI", AS TVEL, AS "Tochmash" un ārpus tā, Nacionālajā pētniecības centrā "Kurchatov Institute", ENIN nosaukts pēc. Kržižanovskis, FSBEI MAI, NRNU MEPhI, GUAP, AS Rosseti, AS STC FGC UES, JSC SuperOx, AS VNIIKP, JSC NIIEM, OKB Yakor utt.

“Strukturāli projekts sastāv no deviņiem paralēli veiktiem uzdevumiem,” skaidro Viktors Pančirnijs. - No 2011. līdz 2013. gadam izdevās izveidot pirmos sadzīves supravadītāju mašīnu prototipus - 50 kW motoru un ģeneratoru, 0,5 MJ kinētiskās enerģijas uzkrāšanas ierīci, 3,5 MW supravadošo īsslēguma strāvas ierobežotāju 3,5 kV elektrotīkliem, 10 kVA supravadošo transformatoru, strāvas vadus magnētiskajām sistēmām, kas šķērso 1500A strāvu.

Ir izveidoti arī VTSP-2 lentes vadu pilnībā pašmāju ražošanas tehnoloģijas pamati, sākot no izejvielām un beidzot ar gatavās produkcijas uzraudzības metodēm. Tika atrasti pamata tehnoloģiskie risinājumi, kas ļāva pāriet uz pilna mēroga energoierīču prototipu izveidi. Tādējādi šobrīd tiek pabeigts darbs pie 200 kW dzinēja izveides.

Pateicoties HTSP-2 tinumu izmantošanai, šāds dzinējs, uzstādot elektriskajam transportlīdzeklim (elektriskajam autobusam), palielinās nobraukumu starp akumulatora uzlādēm par 15–20%. Izgatavots un tiek gatavots testēšanai dzelzceļa transporta tīklā supravadošs īsslēguma strāvas ierobežotājs ar jaudu lielāku par 7 MVA. Tiek pabeigta 1 MVA ģeneratora ražošana, kas solās izmantot vēja elektrostacijās.

Pamatojoties uz unikālām Rosatom tehnoloģijām, tiek veidota kinētiskās enerģijas uzkrāšanas iekārta ar supravadošu spararatu piekari, kuras enerģijas jauda ir lielāka par 7 MJ. Ir vērts atzīmēt induktīvās enerģijas uzkrāšanas ierīces attīstību, kas ārkārtīgi īsā laikā spēj atbrīvot uzkrāto enerģiju līdz pat vairākiem MJ. Noslēguma stadijā ir arī darbs pie supravadoša transformatora ar 1000 kVA jaudu izveides.

“Turklāt svarīgākie projekta rezultāti būs jaudīgas eksperimentālās un tehnoloģiskās bāzes izveide, kā arī augsti kvalificētu supravadītāju tehnoloģiju jomas speciālistu komandu izveidošana,” secina Viktors Pančirnijs. - Šogad Kurčatova institūta pētniecības centrā tiks uzsākta visaptveroša ražošanas un pētniecības līnija HTSC-2 sloksnes supravadītāju ražošanai ar lāzerablāciju. Līnija kļūs par instrumentu HTSC materiālu zinātnes un tehnoloģiju attīstībai, maksimāli izmantojot Kurčatovas NBICS centra jaudīgo zinātnisko infrastruktūru. Tas ļaus intensīvi attīstīt daudzsološu augsto tehnoloģiju jomu, kas novedīs pie supravadītāju tehnoloģiju komercializācijas.

Uz HTSC vadu balstīta levitācijas mehānisma prezentācija: Andrejs Vavilovs Maskavas mēra S. Sobjaņina pieņemšanas laikā Slavas tehnoparkā skaidro moduļa darbības principu.

Maiņstrāvas kabeļi

Nevar nerunāt par Krievijas projektu izveidot supravadītāju kabeli 200 m garumā.A/s Enerģētikas institūts nosaukts. G.M. Kržižanovskis" (ENIN), AAS "Viskrievijas Kabeļrūpniecības zinātniski pētnieciskais institūts" (VNIIKP), Maskavas Aviācijas institūts un AAS "Elektroenerģētikas zinātniskais un tehniskais centrs". Izstrāde sākās 2005. gadā, 2009. gadā tika izveidots prototips, kas tika veiksmīgi testēts speciāli izveidotā unikālā izmēģinājumu poligonā.

Galvenās HTSC kabeļa priekšrocības ir liela strāvas slodze, zemi zudumi, videi draudzīgums un ugunsdrošība. Turklāt, pārraidot lielu jaudu pa šādu kabeli ar spriegumu 10–20 kV, starpposma apakšstacijas nav nepieciešamas.

HTSC kabelis ir sarežģīta daudzslāņu struktūra. Centrālais atbalsta elements ir izgatavots nerūsējošā tērauda spirāles formā, ko ieskauj vara un nerūsējošā tērauda stiepļu saišķis, kas aptīts ar vara lenti. Virs centrālā elementa tiek uzklāti divi supravadošo lentu slāņi, un virsū ir uzlikta augstsprieguma izolācija. Tam seko supravadoša ekrāna uzlikšana, elastīgu vara lentu slānis, kas aptīts ar nerūsējošā tērauda lenti. Katra kabeļa serde ir ievilkta savā elastīgā kriostatā 200 m garumā.

Šīs daudzkomponentu struktūras izveidi sarežģī fakts, ka HTSC lente ir ārkārtīgi jutīga pret mehāniskām slodzēm un lūzumiem. Galvenā tehnoloģisko operāciju daļa tika veikta uz a/s VNIIKP bāzes. Tomēr augstsprieguma izolācijas ražošanai kabelis tika transportēts uz Permu uz Kamsky Kabel rūpnīcu.

“Mēs veicām papīra izolācijas uzlikšanu HTSC kabelim,” stāsta Kamsky Cable LLC galvenā tehnologa vietnieks Aleksandrs Azanovs. - Tika izmantota unikāla iekārta, kas iepriekš tika izmantota ar eļļu pildītu augstsprieguma kabeļu ražošanā. Tāpēc netika taupīti līdzekļi, nogādājot pusfabrikātu no Maskavas uz Permu un atpakaļ. Un domāju, ka pagaidām šādu speciālu kabeļu ražošanai vēlams izmantot unikālas iekārtas, kas uzstādītas dažādās rūpnīcās, nevis organizēt ražošanu vienuviet.
Tuvākajā nākotnē šī kabeļa masveida ražošanas organizēšana mūsu vai jebkurā citā rūpnīcā ir maz ticama, jo līniju uzstādīšana ar supravadītājiem tiek veikta ārkārtīgi reti un ļoti īsā garumā (ne vairāk kā 1 km). Galvenais iemesls tam ir HTSC kabeļu izmaksas un to uzturēšana (nepieciešams nepārtraukti pa kabeli sūknēt šķidro slāpekli).

Līdzstrāvas kabeļi

Šodien turpinās attīstība HTSC kabeļu izveides jomā. AS FGC UES un AS Zinātniskais un tehniskais centrs FGC UES veic kopīgu pētniecību un izstrādi “Augstas temperatūras supravadošas līdzstrāvas kabeļu līnijas izveide spriegumam 20 kV ar strāvu 2500 A un garumā līdz 2500 m. Pirmais nākotnes novatoriskās enerģijas pārvades sistēmas prototips - divas 30 m garas bipolāra augstas temperatūras supravadītāja kabeļa sekcijas, kas izstrādātas FGC UES Pētniecības un attīstības centrā un ražotas Irkutskabelas rūpnīcā - 2013. gadā veiksmīgi izturēja strāvas un augstsprieguma testus. .

2014. gada novembrī, izmantojot vairākus simtus metru garu supravadošu kabeli, tika pārbaudīts inovatīvas elektroenerģijas pārvades pārveidošanas iekārtu komplekts ar jaudu 50 MW. HTSC kabeļa izmantošana elektroapgādei lielajām pilsētām ļaus samazināt zemes piešķīrumu platību, atteikties no gaisvadu līniju būvniecības un samazināt elektroenerģijas zudumus.
FGC UES pētniecības un attīstības centrs atzīmē, ka līdzstrāvas kabeļu līnijai, kuras pamatā ir HTSC, ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar maiņstrāvas līniju. Tas ļauj ne tikai pārraidīt jaudu ar minimāliem zudumiem, bet arī ierobežot īssavienojuma strāvas, regulēt reaktīvo jaudu, kontrolēt jaudas plūsmas un nodrošināt tās pretējo.

“Patīkami apzināties, ka Krievijas HTSC kabeļu izstrādātāji ir priekšgalā,” saka Vitālijs Visockis, tehnisko zinātņu doktors, Krievijas Zinātņu akadēmijas akadēmiķis, zinātniskā virziena direktors - vadītājs. a/s "VNIIKP" supravadošo vadu un kabeļu nodaļa. - Piemēram, 200 m kabelis bija lielākais Eiropā 2009.-2013. gadā, un tikai 2014. gadā Vācijā tika uzstādīts 1 km kabelis. Taču šis rekords tiks pārspēts arī ar 2,5 km kabeļa testēšanu Sanktpēterburgai.”

No valsts atbalsta līdz privātajām investīcijām

Eksperti prognozē diezgan aktīvu globālā un Krievijas supravadītāju tirgus attīstību. Tādējādi SuperOx CJSC direktoru padomes priekšsēdētājs Andrejs Vavilovs atzīmē, ka globālā HTSC tirgus apjoms katru gadu dubultojas un 2017. gadā sasniegs 1 miljardu dolāru, savukārt Krievijas Federācijas daļa pasaules tirgū vērtējama aptuveni 10%.

"Elektroenerģētikas nozares supravadītspējas tirgum ir jāattīstās, jo enerģijas patēriņa blīvums nepārtraukti pieaug un bez supravadītspējas nav iespējams apmierināt augošās prasības," saka Vitālijs Visockis. – Tomēr enerģētiķi ir ļoti konservatīvi attiecībā pret visu jauno un pat dārgo. Tāpēc pagaidām galvenais uzdevums ir ar valsts organizāciju atbalstu veicināt jaunus projektus. Tas būs pierādījums supravadītāju ierīču uzticamībai un efektivitātei. Jaunu projektu rašanās radīs pieprasījumu pēc HTSC lentu ražošanas, palielinās to izlaidi un samazinās cenas, kas atkal palīdzēs tirgus attīstībai.

“Šajā posmā visu izvirzīto uzdevumu komplekss risinājums nav iespējams bez pilnīgas valsts palīdzības, taču ar katru gadu pieaug HTSC tehnoloģiju investīciju pievilcība, kas ļauj ar lielu pārliecību sagaidīt privāto investīciju pieplūdumu. tās turpmākajā komerciālajā attīstībā,"

Viktors Pansirnijs piekrīt kolēģim.

Speciālisti ir gandarīti, ka kopumā valstiskā līmenī ir izpratne par supravadītāju tehnoloģiju nozīmi.

“Supravadītāju nozares attīstībai ir valsts nozīme un tā ir svarīga sastāvdaļa pārejā uz inovatīvu valsts ekonomikas attīstības ceļu. Tas nesen tika paziņots Krievijas Federācijas Federālās asamblejas Valsts domes Enerģētikas komitejas priekšsēdētāja pakļautībā esošās Konsultatīvās padomes paplašinātajā sanāksmē, kurā īpaši tika atzīmēts, ka, lai nodrošinātu Krievijas Federācijas Federālās asamblejas ekonomisko un politisko neatkarību. Krievijai ir stratēģiski nepieciešama zemas un augstas temperatūras supravadošu materiālu, supravadītāju ierīču un uz tiem balstītu izstrādājumu vietējā ražošana.

Viktors Pančirnijs ziņo.

Nākotnes plāni

Lūdzām ekspertus novērtēt, kuri supravadītspējas pielietojumi, viņuprāt, ir visdaudzsološākie un kur mēs varam sagaidīt tehnoloģiju komerciālu izmantošanu tuvākajos gados.

“Tāpat kā visā pasaulē, supravadītāju kabeļu projekti šobrīd ir visprogresīvākie Krievijā. Viņiem ir jāattīstās un, mēs ceram, arī attīstīsies,” saka Vitālijs Visockis. - Supravadošie kabeļi, kuru pamatā ir HTSC, jau ir tīri komerciāls produkts, lai gan tie joprojām ir diezgan dārgi. Tas kļūs lētāks, kad sāksies tā plašā ieviešana un būs nepieciešams ievērojams daudzums HTSC lentu, kas samazinās to ražošanas izmaksas.
Taču, manuprāt, elektroenerģētikas nozarē nepieciešamākie un pieprasītākie ir supravadošie īsslēguma strāvas ierobežotāji 100 kV un augstākiem sprieguma līmeņiem. Parastās šīs sprieguma klases ierīces vienkārši nepastāv, un bez supravadītspējas vienkārši nevar iztikt. Par šādiem projektiem mūsu valstī jau tiek runāts. Turklāt, manuprāt, HTSC mašīnām vēja ģeneratoriem ir labas izredzes. Tie sola būtisku (vairākas reizes) viena ģeneratora svara samazinājumu un vienības jaudas pieaugumu.

“Šodien supravadītāju produktu tirgus attīstības virzītājspēks ir elektroenerģijas nozare (barošanas kabeļi un strāvas ierobežotāji), saka Andrejs Vavilovs. "Bet arī daudzās citās nozarēs ir ievērojams potenciāls. Piemēram, mūsdienās tiek izstrādātas iespējas izmantot HTSC vadu kā efektīvu zemas temperatūras supravadītāju aizstājēju paātrinātāju tehnoloģijā, ko izmanto zinātnē, izotopu ražošanā un medicīnā. Krievijai šajā jomā ir lieli plāni, jo īpaši modernā NICA kolidera celtniecība Dubnā.
Efektīvu rotējošu mašīnu izveidei ar unikālām vilces īpašībām, mazu masu un svaru ir liels potenciāls. Šādi dzinēji galvenokārt ir pieprasīti lielu kuģu piedziņai, un ģeneratorus var izmantot atjaunojamā enerģijā.
Magnētiskās levitācijas fenomens šodien paver pilnīgi jaunas perspektīvas. Tās ir ne tikai transporta sistēmas, bet arī bezkontakta manipulatori, kā arī izturīgi gultņi ar plašu pielietojumu.”

“Augstas temperatūras supravadītspējas tālākai attīstībai būs izteikts multiplikatora efekts ne tikai elektroenerģētikā, bet arī citās nozarēs, piemēram, kosmosā, aviācijā, jūras, ceļu un dzelzceļa transportā, mašīnbūvē, metalurģijā, elektronikā, medicīnā, un akseleratora tehnoloģija. Supravadītspējas tehnoloģijas ir svarīgas arī valsts aizsardzības spēju stiprināšanai.

Viktors Pančirnijs ir pārliecināts.

Vārdu sakot, uz supravadītspēju balstītu tehnoloģiju tālāka attīstība paver cilvēcei milzīgas perspektīvas un jau pārskatāmā nākotnē.

Izveidots uz oksīda augstas temperatūras supravadītāju bāzes. Pirmo reizi supravadošu keramiku 1986. gadā ieguva J. Bednorcs un K. Millers, kuriem par šo atklājumu tika piešķirta Nobela prēmija. Šī keramika tika izgatavota no lantāna, bārija un vara oksīda (La 2-x Ba x CuO 4), un tai bija neparasti augsta supravadošie materiāli supravadītāja pārejas temperatūra Tc = 35 K. Gadu vēlāk P. Čū vadībā tika iegūta keramika uz itrija-bārija-vara oksīda YBa 2 Cu 3 O 7-x bāzes ar Tc = 93 K . Šie atklājumi padarīja supravadītspēju daudzsološu praktiskiem lietojumiem.

Augstas temperatūras supravadītāja keramika, tāpat kā parastie keramikas materiāli, ir izgatavota no oksīda pulveriem. Oksīdkeramikas augstas temperatūras supravadītāju ražošana ietver šādus galvenos posmus: lādiņa sākotnējo komponentu dozēšana, lādiņa homogenizācija, augstas temperatūras (800-1100 o C temperatūrā) sintēze, ieskaitot lādiņa starpslīpēšanu. , kā arī keramikas izstrādājumu formēšana (presēšana) un saķepināšana.

Iegūto materiālu blīvumu un mikrostruktūru spēcīgi ietekmē sākotnējā pulvera stāvoklis un sintēzes apstākļi. Keramikas materiāli satur neorientētus graudus, poras un gandrīz vienmēr svešu fāžu piejaukumu. Augstas temperatūras supravadošas keramikas sintēzes laikā smalkgraudaini pulveri sāk saķepināt zemākā temperatūrā nekā rupji graudaini. Tas ļauj izvairīties no ievērojama daudzuma šķidrās fāzes veidošanās un parauga deformācijas. Neliela daudzuma piemaisījumu oksīdu ievadīšana bāzes sastāvā pozitīvi ietekmē keramikas īpašības, veicinot vajadzīgās tekstūras veidošanos.

HTSC keramikas mehāniskās un elektromagnētiskās īpašības tieši nosaka ievērojami neviendabīga struktūra, kas sastāv no graudiem, porām un mikrodefektiem, kas parasti ir lokalizēti uz graudu robežām. Supravadošās keramikas mikrostruktūras veidošanās un iznīcināšana notiek saķepināšanas procesā, kas veicina iekšējo spriegumu rašanos un materiāla darbību dažādos mehāniskos un termiskos apstākļos. Supravadošā keramika sastāv no supravadošām granulām, kurām raksturīgs diezgan augsts kritiskais strāvas blīvums jcr, bet, tā kā starpgranulārajā telpā ir zems jcr, tad augstas temperatūras keramikas transportstrāvas kritiskais blīvums samazinās, kas apgrūtina tās izmantošanu tehnoloģijā.

Līdz šim ir izveidots diezgan liels skaits supravadītāju keramikas, kas satur retzemju elementus Y, Ba, La, Nd, Sm, Eu, Cd, Ho, Er, Tm, Lu. Šai keramikai eksperimentālie pētījumi dod supravadītāja pārejas temperatūru temperatūras diapazonā no 86 K līdz 135 K.

Visizplatītākā ir lantāna keramika (La1-xBa)2CuO1-y ar Tc = 56 K, itrija keramika uz Y-Ba-Cu-O bāzes ar Tc = 91 K, bismuta keramika uz Bi-Sr-Ca-O bāzes ar Tc = 115 K, tallija keramika uz Tl-Ba-Ca-Cu-O bāzes ar Tc = 119 K, dzīvsudraba keramika HgBa2Ca2Cu3O8+x ar Tc = 135 K.

Ir izstrādāta tekstūras keramikas ražošanas tehnoloģija, kas ļāvusi palielināt strāvas blīvumu par lielumu kārtām. Bet pietiekami lielu izstrādājumu, vadu vai lentu ražošana no keramikas augstas temperatūras supravadītājiem joprojām ir diezgan sarežģīts tehnoloģisks uzdevums. Kompakti masīvi dažādu formu un izmēru elementi parasti tiek izgatavoti no oksīdu supravadošas keramikas Y-Ba-Cu-O, un garie kompozīti supravadītāji ir balstīti uz Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O savienojumiem dažādu metālu un sakausējumu apvalkos. Šādiem izstrādājumiem ir supravadītspējas efekts šķidrā slāpekļa temperatūrā un zemākā līmenī, augstas strāvas pārvades īpašības, un, tos lietojot, tie ļauj ievērojami samazināt elektrisko ierīču svaru un izmērus, samazināt ekspluatācijas izmaksas un izveidot ļoti efektīvas un videi draudzīgas elektrosistēmas.

Mikroviļņu komponentos tiek izmantotas plānas HTSC keramikas kārtiņas uz vienkristāliskiem substrātiem. Kā likums, galvenie HTSC plēvju parametri ietver pretestību un magnētisko jutību. Tos ražo, uzklājot uz substrāta ar lāzera un elektronu staru iztvaicēšanu, ķīmisko tvaiku pārklāšanu, tiešu un reaktīvu katoda izsmidzināšanu un molekulārā stara epitaksiju.

Fiziķi ir atklājuši materiālu, kas kļūst supravadošs temperatūrā, kas ir nedaudz augstāka par aukstāko temperatūru uz Zemes. Šis atklājums varētu vēstīt par jaunu ēru supravadītspējas izpētē. Supravadītspējas pasaule ir rosīga. Pagājušajā gadā Mihails Eremets un pāris kolēģu no Maksa Planka Ķīmijas institūta Maincā, Vācijā, izteica ārkārtēju apgalvojumu par supravadītāja sērūdeņraža novērošanu -70 grādos pēc Celsija. Tas ir par 20 grādiem augstāks nekā jebkurš cits materiāls, kuram pieder pašreizējais rekords.

Zinātnieku darba rezultātus sāka apspriest, kad tie pirmo reizi tika publicēti arXiv. Toreiz fiziķi par savu darbu runāja piesardzīgi. Supravadītspējas vēsture ir pilna ar apšaubāmu apgalvojumu līķiem par aktivitāti augstā temperatūrā, ko vēlāk izrādījās neiespējami reproducēt.

Kopš tā laika ir pagājis diezgan daudz laika, Eremets un kolēģi ir smagi strādājuši, lai izveidotu galīgus un pārliecinošus pierādījumus. Pirms dažām nedēļām viņu darbs tika publicēts žurnālā Nature, tādējādi apzīmogojot mūsdienu fizikā nepieciešamo cieņu. atkal trāpīja virsrakstos.

Antinio Bianzoni un Thomas Jarlborg no Romas Starptautiskā Materiālzinātnes centra Itālijā sniedza pārskatu par savu aizraujošo darba jomu. Un viņi veica teorētisko darbu, skaidrojot Eremeta un viņa kolēģu darbus.

Pirmkārt, nedaudz fona. Supravadītspēja ir nulles elektriskās pretestības parādība, kas rodas dažos materiālos, kad tie tiek atdzesēti zem kritiskās temperatūras.

Šī parādība ir labi zināma parastajos supravadītājos, kas būtībā ir stingras pozitīvo jonu režģi, kas peld elektronu jūrā. Elektriskā pretestība rodas, kad elektroni ietriecas šajos režģos un zaudē enerģiju, pārvietojoties pa tiem.

Tomēr zemā temperatūrā elektroni var apvienoties viens ar otru, veidojot Kūpera pārus. Tajā pašā laikā režģis kļūst pietiekami stingrs, lai nodrošinātu saskaņotu viļņu kustību, ko sauc par fononiem.

Supravadītspēja rodas, kad Kūpera pāri un fononi kopā pārvietojas pa materiālu, un viļņi būtībā atbrīvo ceļu elektronu pāriem. Tas notiek, kad režģa vibrācijas - tā temperatūra - kļūst pietiekami spēcīgas, lai pārrautu Kūpera pārus. Šī ir kritiskā temperatūra.

Vēl nesen augstākā šāda veida kritiskā temperatūra bija -230 grādi pēc Celsija (40 Kelvini).

Ir trīs galvenie raksturlielumi, ko zinātnieki meklē, lai apstiprinātu, ka materiāls ir supravadošs. Pirmais ir pēkšņs elektriskās pretestības kritums, kad materiāls tiek atdzesēts zem kritiskās temperatūras. Otrais ir magnētiskā lauka pārvietošana no materiāla, kas pazīstams kā Meisnera efekts.

Trešais ir kritiskās temperatūras izmaiņas, kad atomi materiālā tiek aizstāti ar izotopiem. Tas notiek tāpēc, ka izotopu masas atšķirība izraisa dažādu režģa vibrāciju, kas maina kritisko temperatūru.

Bet ir vēl viens supravadītspējas veids, kas ir daudz mazāk saprotams. Tas ietver noteiktas keramikas vielas, kas atklātas 1980. gados un kas kļūst par supravadītām temperatūrām līdz -110 grādiem pēc Celsija. Neviens īsti nesaprot, kā viņi strādā, taču liela daļa supravadītspējas kopienā veikto pētījumu koncentrējas uz šiem eksotiskajiem materiāliem.

Jeremets un viņa kolēģi, visticamāk, mainīja savas pozīcijas. Iespējams, lielākais pārsteigums viņu izrāvienā ir tas, ka tas neietver “augstas temperatūras” supravadītāju. Tas ietver parasto sērūdeņradi, kas nekad nav novērots kā supravadītājs temperatūrā virs 40 grādiem pēc Kelvina.

Yeremets un viņa kolēģi sasniedza savu mērķi, saspiežot šo materiālu zem spiediena, kas pastāv tikai Zemes centrā. Tajā pašā laikā viņi varēja atklāt pierādījumus par visām svarīgākajām supravadītspējas īpašībām.

Un, kamēr viņu eksperimenti turpinās, teorētiķi kasa galvu, mēģinot to izskaidrot. Daudzi fiziķi uzskatīja, ka ir kāds teorētisks iemesls, kāpēc tradicionālie supravadītāji nevarēja darboties temperatūrā virs 40 grādiem pēc Kelvina. Taču izrādījās, ka teorētiski nekas neliedz supravadītājiem darboties augstākā temperatūrā.

Sešdesmitajos gados britu fiziķis Nīls Eškrofts prognozēja, ka ūdeņradim vajadzētu būt spējīgam vadīt supravadītāju augstā temperatūrā un spiedienā, iespējams, pat istabas temperatūrā. Viņa ideja bija tāda, ka ūdeņradis ir tik viegls, ka tam vajadzētu veidot režģi, kas spēj vibrēt ļoti augstās frekvencēs un tāpēc augstā temperatūrā un spiedienā kļūt par supravadītāju.

Šķiet, ka Jeremets un viņa kolēģi ir apstiprinājuši šo domu. Vai vismaz kaut kas tamlīdzīgs. Ir daudz teorētisku grumbu, kas ir jānotīra, pirms fiziķi var teikt, ka viņiem ir laba izpratne par notiekošo. Teorētiskais darbs turpinās.

Tagad jācenšas atrast citus supravadītājus, kas darbosies vēl augstākā temperatūrā. Viens daudzsološs kandidāts ir H3S (nevis H2S, pie kura sākotnēji strādāja Jeremets).

Un, protams, fiziķi sāk domāt par lietojumiem. Šādu materiālu izmantošana ir ļoti sarežģīta, un ne tikai tāpēc, ka tie ir supravadītāji pie augsta spiediena.

Bet nekas neliedz jums fantazēt. "Šis atklājums ietekmē ne tikai materiālu zinātni un kondensēto vielu, bet arī citas jomas, sākot no kvantu skaitļošanas līdz dzīvās vielas kvantu fizikai," saka Bianzoni un Jarlborg. Viņi arī izvirzīja interesantu ideju, ka šāds supravadītājs darbojas temperatūrā, kas ir par 19 grādiem augstāka nekā aukstākā temperatūra uz Zemes.

Iespējams, ka nākamajos mēnešos un gados mēs dzirdēsim vēl daudz interesantu lietu par supravadītājiem.