Superpërçuesi me temperaturë më të lartë. Superpërcjellshmëria me temperaturë të lartë është një realitet industrial. Ndikimi i projektit në mënyrat elektrike

18.07.2023 Izolimi

Sot pashë këtë koment dhe diskutimin nën të. Duke pasur parasysh që sot isha në prodhimin e kabllove superpërçues, doja të fusja disa komente, por vetëm për lexim... Si rezultat, vendosa të shkruaj një artikull të shkurtër për superpërçuesit me temperaturë të lartë.

Për të filluar, për çdo rast, dëshiroj të vërej se vetë termi "superpërçues me temperaturë të lartë" nënkupton superpërçuesit me një temperaturë kritike mbi 77 K (-196 °C) - pika e vlimit të azotit të lëngshëm të lirë. Ato shpesh përfshijnë superpërçues me një temperaturë kritike prej rreth 35 K, sepse Kjo ishte temperatura e cupratit të parë superpërçues La 2-x Ba x CuO 4 (një substancë me përbërje të ndryshueshme, pra x). ato. Temperaturat "të larta" këtu janë ende shumë të ulëta.

Dy superpërçues me temperaturë të lartë përdoren gjerësisht - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) dhe Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Përdoren gjithashtu materiale të ngjashme me YBCO, në të cilat ittriumi zëvendësohet nga një element tjetër i tokës së rrallë, për shembull gadolinium, emërtimi i tyre i përgjithshëm është ReBCO.
YBCO e prodhuar dhe ReBCO të tjera kanë një temperaturë kritike prej 90-95 K. BSCCO e prodhuar arrin një temperaturë kritike prej 108 K.

Përveç temperaturës së lartë kritike, ReBCO dhe BSCCO dallohen nga vlera të mëdha të fushës magnetike kritike (në helium të lëngshëm - më shumë se 100 T) dhe rrymë kritike. Megjithatë, me këtë të fundit gjithçka nuk është aq e thjeshtë...

Në një superpërçues, elektronet nuk lëvizin në mënyrë të pavarur, por në çifte (çifte Cooper). Nëse duam që rryma të kalojë nga një superpërçues në tjetrin, atëherë hendeku midis tyre duhet të jetë më i vogël se madhësia karakteristike e këtij çifti. Për metalet dhe lidhjet, kjo madhësi është dhjetëra apo edhe qindra nanometra. Por në YBCO dhe BSCCO është vetëm disa nanometra dhe fraksione të një nanometri, në varësi të drejtimit të lëvizjes. Edhe boshllëqet midis kokrrizave individuale të një polikristali rezultojnë të jenë një pengesë mjaft e dukshme, për të mos përmendur boshllëqet midis pjesëve individuale të një superpërçuesi. Si rezultat, qeramika superpërçuese, nëse nuk merren truke të veçanta, janë në gjendje të kalojnë vetëm një rrymë relativisht të vogël përmes tyre.

Mënyra më e lehtë për të zgjidhur problemin ishte në BSCCO: kokrrat e saj kanë natyrshëm skajet e lëmuara dhe ngjeshja më e thjeshtë mekanike lejon që këto kokrriza të porositen për të marrë një vlerë të lartë të rrymës kritike. Kjo bëri të mundur krijimin e shpejtë dhe të thjeshtë të gjeneratës së parë të kabllove superpërcjellëse me temperaturë të lartë, ose më saktë, shiritave superpërçues me temperaturë të lartë. Ato janë një matricë argjendi që përmban shumë tuba të hollë të mbushur me BSCCO. Kjo matricë rrafshohet dhe kokrrat e superpërçuesit marrin rendin e dëshiruar. Ne marrim një shirit të hollë fleksibël që përmban shumë bërthama individuale të sheshta superpërçuese.

Mjerisht, materiali BSCCO është larg idealit: rryma e tij kritike bie shumë shpejt me rritjen e fushës magnetike të jashtme. Fusha e saj magnetike kritike është mjaft e lartë, por shumë kohë përpara se të arrijë këtë kufi, ajo humb aftësinë për të kaluar çdo rrymë të madhe. Kjo kufizoi shumë përdorimin e shiritave superpërcjellës me temperaturë të lartë; ato nuk mund të zëvendësonin lidhjet e vjetra të mira të niobium-titanit dhe niobium-kallajit që vepronin në helium të lëngshëm.

ReBCO është një çështje krejtësisht tjetër. Por krijimi i orientimit të saktë të grurit në të është shumë i vështirë. Vetëm relativisht kohët e fundit ata kanë mësuar të bëjnë shirita superpërçues bazuar në këtë material. Shirita të tillë, të quajtur gjenerata e dytë, prodhohen duke spërkatur një material superpërçues në një substrat që ka një strukturë të veçantë që specifikon drejtimin e rritjes së kristalit. Tekstura, siç mund ta merrni me mend, është në madhësi nanometër, kështu që kjo është nanoteknologji e vërtetë. Në kompaninë e Moskës SuperOx, ku isha në të vërtetë, për të marrë një strukturë të tillë, pesë shtresa të ndërmjetme spërkaten mbi një nënshtresë metalike, njëra prej të cilave spërkatet njëkohësisht me një rrymë jonesh të shpejta që bien në një kënd të caktuar. Si rezultat, kristalet e kësaj shtrese rriten vetëm në një drejtim, në të cilin është më e vështirë për jonet t'i spërkasin ato. Prodhuesit e tjerë, nga të cilët ka katër në botë, mund të përdorin teknologji të tjera. Nga rruga, kasetat shtëpiake përdorin gadolinium në vend të ittriumit; rezulton të jetë më i avancuar teknologjikisht.

Shiritat superpërcjellës të gjeneratës së dytë me gjerësi 12 mm dhe trashësi 0,1 mm në azot të lëngshëm në mungesë të një fushe magnetike të jashtme kalojnë një rrymë deri në 500 A. Në një fushë magnetike të jashtme prej 1 T, rryma kritike ende arrin 100 A, dhe në 5 T - deri në 5 A Nëse e ftohni shiritin në temperaturën e hidrogjenit të lëngshëm (lidhjet e niobiumit në këtë temperaturë as nuk kalojnë në gjendjen superpërcjellëse), atëherë e njëjta shirit do të jetë në gjendje të kalojë 500 A në një fushë prej 8 T, dhe "disa" 200-300 A në një fushë të nivelit të disa dhjetëra Tesla (bretkosa fluturon). Nuk ka nevojë të flasim për heliumin e lëngshëm: ka projekte magnetësh në këto kaseta me një fushë në një nivel prej 100 Tesla! Vërtet, këtu problemi i forcës mekanike lind me forcë të plotë: fusha magnetike gjithmonë tenton të thyejë elektromagnetin, por kur kjo fushë arrin dhjetëra tesla, aspiratat e saj realizohen lehtësisht...

Megjithatë, të gjitha këto teknologji të shkëlqyera nuk e zgjidhin problemin e lidhjes së dy pjesëve të superpërcjellësit: megjithëse kristalet janë të orientuar në një drejtim, nuk flitet për lustrim të sipërfaqes së jashtme deri në vrazhdësi të përmasave nënnanometër. Koreanët kanë një teknologji për shkrirjen e shiritave individualë me njëri-tjetrin, por ajo është ende, për ta thënë butë, larg nga perfektja. Në mënyrë tipike, shiritat lidhen me njëri-tjetrin me saldim konvencional duke përdorur saldim konvencional me plumb kallaji ose një metodë tjetër klasike. Sigurisht, në këtë rast, në kontakt shfaqet një rezistencë e kufizuar, kështu që nuk është e mundur të krijohet një magnet superpërçues nga kaseta të tilla që nuk kërkon energji për shumë vite, dhe thjesht një linjë elektrike me humbje saktësisht zero. Por rezistenca e kontaktit është fraksione të vogla të një mikroom, kështu që edhe në rrymë 500 A lëshohen vetëm fraksione të një milivat.

Sigurisht, në një artikull shkencor popullor lexuesi kërkon më shumë argëtim... Këtu janë disa video të eksperimenteve të mia me shirit superpërçues të temperaturës së lartë të gjeneratës së dytë:

Videoja e fundit u regjistrua nën përshtypjen e një komenti në YouTube, në të cilin autori argumentoi se superpërcjellshmëria nuk ekziston, dhe levitimi i një magneti është një efekt krejtësisht i pavarur, duke i ftuar të gjithë të verifikojnë korrektësinë e tij duke matur drejtpërdrejt rezistencën. Siç e shohim, superpërçueshmëria ende ekziston.

Jo shumë kohë më parë, fenomeni i superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë (HTSC) ishte me interes vetëm për shkencëtarët. Sidoqoftë, sot produktet komerciale fitimprurëse të bazuara në HTSC, përfshirë ato të prodhuara në Rusi, po hyjnë në treg për pajisjet e energjisë elektrike. HTSC mund të bëjë një përparim në teknologjitë e transmetimit të energjisë.

HTSC nuk është aspak i nxehtë

Në fillim të shekullit të njëzetë, u zbulua se një sërë metalesh dhe lidhjesh karakterizohen nga superpërçueshmëria, domethënë aftësia për të patur rezistencë zero në temperatura afër zeros absolute (rreth -270 ° C). Për një kohë të gjatë, superpërçuesit mund të përdoreshin vetëm në temperaturën e heliumit të lëngshëm, gjë që bëri të mundur krijimin e pajisjeve përshpejtues dhe rezonancë magnetike tomografi.

Në vitin 1986, superpërçueshmëria u zbulua në një temperaturë prej rreth 30 K, e cila u nderua me çmimin Nobel, dhe në fillim të viteve 1990. Ishte e mundur të arrihet superpërçueshmëri tashmë në 138K, dhe jo metalet, por komponimet okside u përdorën si një superpërçues.
Materialet qeramike që kanë rezistencë zero në temperatura mbi temperaturën e azotit të lëngshëm (77 K) quhen superpërçues me temperaturë të lartë (HTSC). Sidoqoftë, nëse e kthejmë Kelvinin në gradë Celsius, të cilat janë më të njohura për ne, do të kuptojmë se po flasim për temperatura jo shumë të larta, të themi, rreth minus 169–200 ° C. Edhe dimri i ashpër rus nuk është në gjendje të sigurojë kushte të tilla.

Mendjet e studiuesve janë të ngazëllyer nga ideja e gjetjes së materialeve që mund të transferohen te superpërcjellshmëria gjendje në temperaturën e dhomës (293K). Teorikisht, një mundësi e tillë ekziston. Sipas disa raporteve, vetitë superpërçuese dyshohet se u zbuluan edhe në kokrra individuale të grafitit pas një trajtimi të veçantë. Sot, kërkimi i superpërçuesve "temperaturë dhome" (RTSC) konsiderohet si një nga detyrat kryesore kërkimore në fushën e nanoteknologjisë. Megjithatë, jo vetëm aplikimi praktik, por edhe konfirmimi i besueshëm eksperimental i CTSC mbetet një pyetje për nesër. Industria e sotme e energjisë elektrike po zotëron përdorimin e superpërçuesve me temperaturë të lartë.

Pajisjet e bazuara në superpërçueshmëri në temperaturë të lartë kërkojnë ftohje me azot të lëngshëm. Sipas ekspertëve të industrisë, është një ftohës relativisht i lirë dhe i përshtatshëm që siguron temperatura 77K dhe lejon zbatimin e projekteve praktike.

Përfitimet e superpërçueshmërisë

Superpërçueshmëria mund të përdoret (dhe tashmë po përdoret) në fusha të ndryshme. Fillimisht u përdor për të krijuar magnet me fushë të lartë. Me ndihmën e superpërçuesve, mund të arrihet levitacioni magnetik, duke lejuar që trenat me shpejtësi të lartë të lëvizin pa probleme, pa zhurmë apo fërkime. Po krijohen motorë elektrikë HTSC për anijet dhe industria, të cilat kanë parametra dukshëm më të vegjël të peshës dhe madhësisë me fuqi të barabartë. Superpërcjellshmëria është interesante nga pikëpamja e mikroelektronikës dhe teknologjisë kompjuterike. Superpërçuesit me temperaturë të ulët përdoren në pajisjet diagnostikuese mjekësore (tomografë), madje edhe në projekte të tilla ekzotike "megashkencë" si Përplasësi i Madh i Hadronit dhe Reaktori Ndërkombëtar Termonuklear.

Superpërcjellshmëria në temperaturë të lartë shoqërohet me shpresat për tejkalimin e dilemës globale të energjisë që lidhet, nga njëra anë, me rritjen e vazhdueshme të konsumit të energjisë në të tashmen dhe të ardhmen, dhe nga ana tjetër, me domosdoshmëri reduktojnë rrënjësisht emetimet e karbonit për të parandaluar ndryshimet klimatike. Në fund të fundit, në thelb, HTSC nxjerr në pah pajisjet e zakonshme për gjenerimin dhe transmetimin e energjisë elektrike në parim një nivel i ri për sa i përket efikasitetit.

Një nga aplikimet më të dukshme të superpërçuesve është në transmetimin e energjisë elektrike. Kabllot HTS mund të transmetojnë fuqi të konsiderueshme me një seksion kryq minimal, d.m.th., ato kanë një kapacitet të xhiros së një rendi të ndryshëm nga kabllot tradicionale. Kur rryma kalon nëpër një superpërçues, nuk gjenerohet nxehtësi dhe praktikisht nuk ka humbje, gjë që zgjidh problemin kryesor të rrjeteve të shpërndarjes.

Gjeneratorët falë mbështjelljes bërë nga superpërçues materialet që ofrojnë fusha të mëdha magnetike bëhen shumë më të fuqishme. Për shembull, koncerni Siemens ka ndërtuar tre gjeneratorë HTSC me fuqi deri në 4 MW. Makina është dy herë më e lehtë dhe më e vogël në krahasim me një gjenerator konvencional me të njëjtën fuqi. Gjithashtu, gjeneratori HTSC tregoi stabilitet më të madh të tensionit kur ndryshon ngarkesa dhe performancë më të mirë për sa i përket konsumit të energjisë reaktive.

Sot, bota po zhvillon në mënyrë aktive gjeneratorë të erës bazuar në superpërçueshmëri me temperaturë të lartë. Duke përdorur Mbështjelljet HTSC bëjnë të mundur krijimin e gjeneratorëve HTSC 10 MW, të cilët do të jenë 2–4 herë më të lehta se ato konvencionale.

Një fushë premtuese për përdorimin e gjerë të superpërçuesve janë pajisjet e ruajtjes së energjisë, roli i të cilave është gjithashtu i madh nga pikëpamja e zhvillimit të sistemeve moderne të energjisë që përdorin burime të rinovueshme të energjisë. Edhe pajisjet elektrike të njohura, si transformatorët, fitojnë karakteristika cilësore të reja falë HTSC.

Superpërçueshmëria bën të mundur krijimin e pajisjeve të tilla të pazakonta si kufizuesit e rrymës së qarkut të shkurtër, të cilët kufizojnë plotësisht rrymën gjatë një qarku të shkurtër dhe automatikisht ndizet kur hiqet qarku i shkurtër.

Shirit i gjeneratës së dytë

Cilat nga këto ide premtuese janë vënë tashmë në praktikë dhe me përpjekjet e kujt? Para së gjithash, duhet të theksohet se sot tregu ofron superpërçues me temperaturë të lartë të gjeneratës së parë dhe të dytë (HTSC-1 dhe HTSC-2). Për sa i përket vëllimit të produkteve të prodhuara deri më sot, VTSP-1 është ende fitues, por për ekspertët është e qartë se e ardhmja për superpërçuesit gjenerata e dytë. Kjo për faktin se në hartimin e superpërçuesve HTSC-2, më shumë se 70% është një matricë e bërë prej argjendi.

Një nga kompanitë kryesore ruse që punon në temën e superpërçuesve të gjeneratës së dytë është CJSC SuperOx. Filloi brenda mureve të Universitetit Shtetëror të Moskës me emrin Lomonosov, ku grupi shkencor i Fakultetit të Kimisë punoi në teknologjinë e depozitimit të filmave të hollë të superpërçuesve. Në vitin 2006, bazuar në njohuritë e akumuluara, filloi një projekt tregtar për të krijuar një prodhim vendas të telave HTSC të gjeneratës së dytë.

Në vitin 2011, zona e interesit të SuperOx u zgjerua përmes bashkëpunimit të ngushtë me SuperOx Japan LLC të sapokrijuar. U krijua një linjë pilot prodhimi për të prodhuar tela HTSC me një rrymë kritike deri në 500 A/cm të gjerë. Që nga viti 2011, SuperOx-Innovations është gjithashtu banore në Skolkovo, ku kryen kërkime të aplikuara që synojnë optimizimin e karakteristikave teknike të shiritave HTSC të gjeneratës së dytë dhe zhvillon teknologji të ndryshme për prodhimin e këtyre materialeve. Në vitin 2013, prodhimi i shiritit HTSP-2 filloi në parkun industrial të Moskës Slava.

"Produkti ynë, shiriti superpërçues i gjeneratës së dytë, është një substrat i bërë nga çelik inox special rezistent ndaj temperaturave të larta, i cili më pas nuk i humbet vetitë e tij mekanike kur aplikohen filma të hollë," thotë Vadim Amelichev, një specialist kryesor në SuperOx CJSC. - Me metoda speciale, në këtë nënshtresë aplikohen shtresa oksidi tampon dhe si shtresë funksionale aplikohet një film me kuprat gadolinium-barium. Kjo strukturë është e veshur më pas me shtresa të holla argjendi ose bakri dhe përdoret si e tillë. në superpërçueshmëri pajisje.

Ky material, me një trashësi filmi prej vetëm një ose dy mikronësh, ka një kapacitet mbajtës të rrymës prej rreth 500 A për 1 mm² seksion kryq, domethënë qindra herë më shumë se ai i një kabllo bakri të zakonshëm. Prandaj, kjo shirit është ideale për aplikacione ku kërkohet rrymë e lartë. Kabllot për rryma të larta, magnet për fusha të larta janë fushat kryesore të aplikimit.”

SuperOx ka një cikël të plotë prodhimi për shiritin VTSP-2. Shitjet e këtij produkti inovativ filluan në vitin 2012, dhe tani materiali furnizohet jo vetëm në Rusi, por dhe eksportohen në nëntë vende, duke përfshirë Bashkimin Evropian, Japoninë, Tajvanin dhe Zelandën e Re.
"Nuk ka shumë prodhues të shiritit VTSP-2 në botë," shpjegon Vadim Amelichev. - Janë dy kompani amerikane, kompani në Korenë e Jugut dhe Japoni. Në Evropë, askush përveç nesh nuk prodhon një shirit të tillë në shkallë industriale. Shiriti ynë u testua në shumë qendra kërkimore dhe konfirmoi konkurrencën e tij karakteristikat e tij”.

Zhvilloni një industri të re

“Përkundër faktit se superpërçueshmëria me temperaturë të lartë është shfaqur mjaft kohët e fundit, çështjet e aplikimit të saj në teknologji po studiohen intensivisht. në teknologji vendet e zhvilluara të botës, "thotë Viktor Pantsyrny, Doktor i Shkencave Teknike, anëtar i plotë i AES të Federatës Ruse, drejtor zhvillimi i Russian Superconductor SHA, "Në vendin tonë, në kuadër të Komisionit nën Presidentin e Federatës Ruse. Federata për Modernizim dhe teknologjike Për zhvillimin e ekonomisë ruse, projekti "Industria e Superpërçuesve" u iniciua si pjesë e projektit "Energjia Inovative" në fushën prioritare "Efiçenca e Energjisë".

Ky projekt në fushën e industrisë së superpërçuesve koordinohet nga kompania ruse Superconductor, e krijuar nga Korporata Shtetërore Rosatom. Gjatë periudhës pesëvjeçare nga 2011 deri në 2015, ata planifikojnë të krijojnë teknologji konkurruese për prodhimin e superpërçuesve të gjeneratës së dytë me temperaturë të lartë, prodhimin pilot të telave me shirita të gjatë (deri në 1000 m) HTSP-2, si dhe zhvillimin e prototipave të pajisjeve të bazuara në tela HTSP-2 për industrinë e energjisë elektrike. Këta janë gjeneratorë Kufizuesit e fuqisë dhe rrymës së lartë (COT) dhe pajisjet e ruajtjes së energjisë kinetike (KNE), si dhe prizat e fuqishme të rrymës për sistemet magnetike, pajisjet e ruajtjes së energjisë induktive (SPIN), transformatorët, motorët elektrikë me fuqi të lartë.

Duke filluar nga viti 2016, është planifikuar të nisë prodhimi serik i telave HTSC-2 dhe një sërë pajisjesh të bazuara në to. Rreth 30 organizata janë të përfshira në punën e këtij projekti, duke përfshirë universitete, qendra kërkimore akademike dhe të industrisë, zyrat e projektimit dhe organizatat industriale, në veçanti SHA VNIINM, SHA NIIEFA, SHA NIITFA, SHA GIREDMET, SHA "NIFHI", SHA TVEL, Sh.A. “Tochmash” dhe jashtë tij, në Qendrën Kombëtare të Kërkimeve “Instituti Kurçatov”, ENIN ato. Krzhizhanovsky, FSBEI MAI, NRNU MEPhI, SUAI, SH.A. Rosseti, SH.A. STC FGC UES, SH.A. SuperOx, SH.A. VNIIKP, SH.A. NIIEM, OKB Yakor etj.

"Strukturisht, projekti përbëhet nga nëntë detyra të kryera paralelisht," shpjegon Viktor Pantsyrny. - Nga viti 2011 deri në 2013 arriti të krijojë prototipet e para operative shtëpiake të makinerive superpërcjellëse - një motor dhe gjenerator 50 kW, një pajisje ruajtëse të energjisë kinetike 0,5 MJ, një kufizues i rrymës së qarkut të shkurtër superpërcjellës 3,5 MW për rrjetet e energjisë 3,5 kV, një transformator superpërcjellës 10 kVA, priza rryme për sistemet magnetike, duke kaluar një rrymë prej 1500A.

Janë krijuar gjithashtu themelet e teknologjisë për prodhimin plotësisht vendas të telave me shirit VTSP-2, duke filluar nga lëndët e para dhe duke përfunduar me metodat për monitorimin e produkteve të gatshme. U gjetën zgjidhje themelore teknologjike që bënë të mundur kalimin në krijimin e prototipeve në shkallë të plotë të pajisjeve energjetike. Kështu, puna për krijimin e një motori 200 kW aktualisht është duke përfunduar.”

Falë përdorimit të mbështjelljeve HTSP-2, një motor i tillë kur instalohet për një makinë elektrike(autobus elektrik) do të rrisë kilometrazhin me 15–20% ndërmjet rimbushjeve të baterisë. Është prodhuar dhe po përgatitet për testim në rrjetin e transportit hekurudhor, një kufizues i rrymës së qarkut të shkurtër superpërcjellës me fuqi më shumë se 7 MVA. Është drejt përfundimit prodhimi i një gjeneratori me kapacitet 1 MVA, premtues për përdorim në termocentralet me erë.
Bazuar në teknologjitë unike të Rosatom, po krijohet një pajisje për ruajtjen e energjisë kinetike me superpërcjellës pezullimi i volantëve, i cili ka një intensitet energjie prej më shumë se 7 MJ. Duhet të theksohet zhvillimi i një pajisjeje të ruajtjes së energjisë induktive e aftë për të dhënë energji të akumuluar deri në disa MJ në një kohë jashtëzakonisht të shkurtër. Në fazën përfundimtare janë edhe punimet për krijimin e një transformatori superpërcjellës me kapacitet 1000 kVA.

“Përveç kësaj, rezultatet më të rëndësishme të projektit do të jenë krijimi i një eksperimenti të fuqishëm dhe teknologjike bazën, si dhe formimin e ekipeve të specialistëve shumë të kualifikuar në fushën e teknologjive superpërcjellëse, - përfundon Viktor Pantsyrny. - Këtë vit, në Institutin e Qendrës Kombëtare të Kërkimit Kurchatov do të fillojë të funksionojë një linjë komplekse prodhimi dhe kërkimi për prodhimin e superpërçuesve të shiritit HTSC-2 me anë të ablacionit lazer. Linja do të bëhet një mjet për zhvillimin e shkencës dhe teknologjisë së materialeve HTSC, duke përdorur në masën maksimale infrastrukturën e fuqishme shkencore të Qendrës Kurchatov NBICS. Kjo do të bëjë të mundur zhvillimin intensiv të një fushe premtuese të teknologjisë së lartë udhëheqëse drejt komercializimit teknologjitë superpërcjellëse”.

kabllot AC

Është e pamundur të mos flasim për projektin rus për të krijuar një kabllo superpërcjellëse 200 m të gjatë. Ata punuan për krijimin e kabllit OJSC "Energjia institut ato. G.M. Krzhizhanovsky"(ENIN), OJSC "Gjithë-ruse Instituti i Kërkimeve Shkencore të Industrisë së Kabllit (VNIIKP), Instituti i Aviacionit në Moskë dhe Qendra Shkencore dhe Teknike e Industrisë së Energjisë Elektrike OJSC. Zhvillimi filloi në 2005; në 2009 u krijua një prototip, i cili u testua me sukses në një vend testimi unik të krijuar posaçërisht.

Përparësitë kryesore të kabllos HTSC janë ngarkesa e lartë aktuale, humbjet e ulëta, mirëdashja mjedisore dhe siguria nga zjarri. Për më tepër, kur transmetohet fuqi e lartë përmes një kablloje të tillë në një tension prej 10-20 kV, nënstacionet e ndërmjetme nuk kërkohen.

Kablloja HTSC është një strukturë komplekse me shumë shtresa. Elementi mbështetës qendror është bërë në formën e një spirale inox, e rrethuar nga një tufë bakri dhe tela inox të mbështjellë me shirit bakri. Dy shtresa shiritash superpërcjellës vendosen në krye të elementit qendror, dhe izolimi i tensionit të lartë vendoset në krye. Kjo pasohet nga aplikimi i një ekrani superpërçues, një shtresë shiritash bakri fleksibël të mbështjellë me shirit inox. Çdo bërthamë kabllor tërhiqet në kriostatin e vet fleksibël 200 m të gjatë.

Krijimi i kësaj strukture me shumë komponentë është i ndërlikuar nga fakti se shiriti HTSC është jashtëzakonisht i ndjeshëm.Pjesa kryesore e operacioneve teknologjike është kryer në bazë të SHA VNIIKP. Sidoqoftë, për prodhimin e izolimit të tensionit të lartë, kablloja u transportua në Perm në uzinën Kamsky Kabel.

"Ne kemi kryer operacionin e aplikimit të izolimit të letrës për kabllon HTSC," thotë Alexander Azanov, zëvendës kryeteknolog i Kamsky Cable LLC. - Janë përdorur pajisje unike që janë përdorur më parë për prodhimin e kabllove të tensionit të lartë të mbushur me vaj. Kjo është arsyeja pse nuk u kursyen asnjë burim për dërgimin e produktit gjysëm të gatshëm nga Moska në Perm dhe mbrapa. Dhe unë mendoj se tani për tani, për prodhimin e kabllove të tilla speciale, këshillohet të përdorni pajisje unike të instaluara në fabrika të ndryshme, në vend që të organizoni prodhimin në një vend.

Në të ardhmen e afërt, organizimi i prodhimit serik të këtij kablli në tonë ose në ndonjë fabrikë tjetër nuk ka gjasa, pasi instalimi i linjave me superpërçues Prodhohet jashtëzakonisht rrallë dhe në gjatësi shumë të shkurtra (jo më shumë se 1 km). Arsyeja kryesore për këtë është kostoja e kabllove HTSC dhe mirëmbajtja e tyre (është e nevojshme të pomponi vazhdimisht azot të lëngshëm përmes kabllit).

kabllot DC

Sot, zhvillimet në fushën e krijimit të kabllove HTSC vazhdojnë. SHA FGC UES dhe SHA Qendra Shkencore dhe Teknike FGC UES po kryejnë R&D të përbashkët "Krijimi i një linje kablloje DC superpërcjellëse me temperaturë të lartë për një tension 20 kV me një rrymë 2500 A dhe një gjatësi deri në 2500 m". Prototipi i parë i sistemit të ardhshëm inovativ të transmetimit të energjisë - dy seksione 30 m të kabllit bipolar HTSC, i zhvilluar në Qendrën Shkencore dhe Teknike të FGC UES dhe i prodhuar në uzinën Irkutskkabel - kaloi me sukses testet aktuale dhe tension të lartë testet në vitin 2013

Në nëntor 2014 u kryen testet e një grupi pajisjesh konvertimi për transmetim inovativ të energjisë me një kapacitet prej 50 MW. duke përdorur kabllo superpërcjellëse disa qindra metra e gjatë. Përdorimi i kabllit HTSC për furnizimin me energji elektrike në qytetet e mëdha do të bëjë të mundur zvogëlimin e sipërfaqes së ndarjeve të tokës dhe refuzimit nga ndërtimi linjat ajrore dhe zvogëlojnë humbjet e energjisë elektrike.

Qendra e Kërkimit dhe Zhvillimit të FGC UES vëren se një linjë kabllore DC e bazuar në HTSC ka një sërë avantazhesh në krahasim me një linjë AC. Ai jo vetëm që ju lejon të transmetoni energji me humbje minimale, por gjithashtu kufizoni rrymat e qarkut të shkurtër, rregulloni fuqinë reaktive, kontrolloni rrjedhat e fuqisë dhe siguroni kthimin e saj.

"Është mirë të dish që zhvilluesit rusë të kabllove HTSC janë në ballë," thotë Vitaly Vysotsky, Doktor i Shkencave Teknike, Akademik i Akademisë Ruse të Shkencave, Drejtor i drejtimit shkencor - Drejtor. departamenti i telave dhe kabllove superpërcjellës të SHA "VNIIKP". - Për shembull, një kabllo 200 m ishte më e madhja në Evropë në 2009–2013, dhe vetëm në vitin 2014 një kabllo 1 km u instalua në Gjermani. Por ky rekord do të thyhet edhe me testimin e një kabllo 2.5 km për Shën Petersburg”.

Nga mbështetja e shtetit tek investimet private

Ekspertët parashikojnë zhvillim mjaft aktiv të tregut global dhe rus të superpërçuesve. Kështu, Andrey Vavilov, Kryetar i Bordit të Drejtorëve të SuperOx CJSC, vëren se vëllimi i tregut global HTSC po dyfishohet çdo vit dhe do të arrijë në 1 miliard dollarë në 2017, ndërsa pjesa e Federatës Ruse në tregun botëror mund të vlerësohet afërsisht. 10%.

"Tregu i superpërçueshmërisë për industrinë e energjisë elektrike duhet të zhvillohet, pasi dendësia e konsumit të energjisë po rritet vazhdimisht dhe pa superpërçueshmëri është e pamundur të mbështeten kërkesat në rritje," thotë Vitaly Vysotsky. - Megjithatë, punëtorët e energjisë janë shumë konservatorë në lidhje me gjithçka të re, madje edhe dhe të shtrenjta. Prandaj, tani për tani detyra kryesore është promovimi i projekteve të reja me mbështetjen e organizatave qeveritare. Kjo do të jetë dëshmi e besueshmërisë dhe efikasitetit të pajisjeve superpërcjellëse. Shfaqja e projekteve të reja do të krijojë kërkesë për prodhimin e shiritave HTSC, do të rrisë prodhimin e tyre dhe do të ulë çmimet, gjë që do të ndihmojë përsëri zhvillimin e tregut.”

“Në këtë fazë, një zgjidhje gjithëpërfshirëse për të gjitha detyrat e vendosura është e pamundur pa ndihmën e plotë të shtetit, por çdo vit rritet atraktiviteti i investimeve të teknologjisë HTSC, gjë që na lejon të presim me një shkallë të lartë besimi një fluks investimesh private. në zhvillimin e saj të mëtejshëm tregtar,” pajtohet me kolegun e tij Viktor Pantsyrny.
Ekspertët janë të kënaqur që në përgjithësi ekziston një mirëkuptim në nivel shtetëror për rëndësinë e teknologjive superpërcjellëse.
“Zhvillimi i industrisë së superpërçuesve është i një rëndësie kombëtare dhe është një pjesë e rëndësishme e tranzicionit te novatore rrugën e zhvillimit të ekonomisë së vendit. Kjo u tha së fundmi në një takim të zgjeruar të Këshillit Këshillimor nën Kryetarin e Komitetit të Dumës Shtetërore për Energjinë të Asamblesë Federale të Federatës Ruse, ku, në veçanti, u vu re se për të siguruar pavarësinë ekonomike dhe politike të Rusia, strategjikisht është e nevojshme që prodhimi vendas të jetë i ulët dhe temperaturë të lartë materiale superpërcjellëse, pajisje superpërcjellëse dhe produkte të bazuara në to”, raporton Viktor Pantsyrny.

Planet e së ardhmes

Ne i kërkuam ekspertëve të vlerësonin se cilat aplikime të superpërçueshmërisë, sipas mendimit të tyre, janë më premtuese dhe ku mund të presim përdorim komercial të teknologjisë në vitet e ardhshme.

“Ashtu si në të gjithë botën, projektet e kabllove superpërcjellëse janë më të avancuarit sot në Rusi. Ata duhet dhe, shpresojmë, do të zhvillohen”, thotë Vitaly Vysotsky. - Kabllot superpërçues të bazuar në HTSC janë tashmë një produkt thjesht komercial, megjithëse janë ende mjaft të shtrenjtë. Do të bëhet më e lirë kur të fillojë prezantimi i saj i gjerë dhe të kërkohet një sasi e konsiderueshme shiritash HTSC, gjë që do të ulë koston prodhimin e tyre.

Megjithatë, për mendimin tim, më e nevojshme dhe në kërkesë për industrinë e energjisë elektrike janë kufizuesit e rrymës së qarkut të shkurtër superpërcjellës për nivelet e tensionit nga 100 kV e lart. Pajisjet konvencionale të kësaj klase të tensionit thjesht nuk ekzistojnë, dhe superpërçueshmëria është thjesht e domosdoshme këtu. Projekte të tilla tashmë po diskutohen në vendin tonë. Për më tepër, për mendimin tim, makinat HTSC për turbinat e erës kanë perspektiva të mira. Ata premtojnë një ulje të konsiderueshme (shumë herë) të peshës së një gjeneratori të vetëm dhe një rritje të një fuqie të vetme.

"Sot, shtytësi i zhvillimit të tregut të produkteve superpërcjellëse është industria e energjisë elektrike (kabllot e energjisë dhe kufizimet aktuale), - beson Andrey Vavilov. “Por ka potencial të rëndësishëm edhe në një sërë industrish të tjera. Për shembull, sot po zhvillohen opsione për përdorimin e telit HTSC si një zëvendësim efektiv për superpërçuesit me temperaturë të ulët në teknologjinë e përshpejtuesit të përdorur në shkencë, prodhimin e izotopeve dhe mjekësi. Rusia ka plane të mëdha në këtë fushë, në veçanti, ndërtimin e një përplasësi modern NICA në Dubna.

Krijimi i makinerive rrotulluese efikase me karakteristika tërheqëse unike, masë dhe peshë të ulët ka një potencial të madh. Motorë të tillë kërkohen kryesisht për të siguruar lëvizjen e anijeve të mëdha dhe mund të përdoren gjeneratorë në të rinovueshme energji.

Fenomeni i levitacionit magnetik hap perspektiva krejtësisht të reja sot. Këto nuk janë vetëm sisteme transporti, por edhe manipulues pa kontakt, si dhe kushineta të qëndrueshme me një gamë të gjerë aplikimesh.”

“Zhvillimi i mëtejshëm i superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë do të ketë një efekt të theksuar shumëzues jo vetëm në industrinë e energjisë elektrike, por edhe në industri të tjera si hapësirë, aviacion, detar, automobil dhe hekurudhor transporti, inxhinieria mekanike, metalurgjia, elektronika, mjekësia, teknologjia e përshpejtuesit. Teknologjitë e superpërçueshmërisë janë gjithashtu të rëndësishme për forcimin e aftësive mbrojtëse të vendit”, është i bindur Viktor Pantsyrny.

Me një fjalë, zhvillimi i mëtejshëm i teknologjive të bazuara në superpërçueshmëri hap perspektiva të mëdha për njerëzimin, dhe në të ardhmen e parashikueshme.

Krijuar në bazë të superpërçuesve oksid me temperaturë të lartë. Qeramikat superpërcjellëse u morën për herë të parë në vitin 1986 nga J. Bednorz dhe K. Müller, të cilëve iu dha çmimi Nobel për këtë zbulim. Kjo qeramikë ishte bërë nga lantanumi, bariumi dhe oksidi i bakrit (La 2-x Ba x CuO 4) dhe kishte një nivel jashtëzakonisht të lartë materiale superpërcjellëse temperatura e tranzicionit superpërcjellës Tc = 35 K. Një vit më vonë, nën udhëheqjen e P. Chu, u përftuan qeramika e bazuar në oksid ytrium-barium-bakër YBa 2 Cu 3 O 7-x me Tc = 93 K. . Këto zbulime e bënë superpërcjellshmërinë premtuese për aplikime praktike.

Qeramikat superpërcjellëse me temperaturë të lartë, si materialet konvencionale qeramike, janë bërë nga pluhurat e oksidit. Prodhimi i superpërçuesve qeramikë me temperaturë të lartë përfshin këto faza kryesore: dozimin e përbërësve fillestarë të ngarkesës, homogjenizimin e ngarkesës, sintezën në temperaturë të lartë (në temperatura 800-1100 o C), duke përfshirë bluarjen e ndërmjetme të ngarkesës. , si dhe derdhja (presimi) dhe sinterizimi i produkteve qeramike.

Dendësia dhe mikrostruktura e materialeve që rezultojnë ndikohen fuqishëm nga gjendja e pluhurit fillestar dhe kushtet e sintezës. Materialet qeramike përmbajnë kokrra të paorientuara, pore dhe pothuajse gjithmonë një përzierje të fazave të huaja. Gjatë sintezës së qeramikës superpërcjellëse me temperaturë të lartë, pluhurat me kokrriza të imta fillojnë të shkrihen në temperatura më të ulëta se ato me kokërr të trashë. Kjo shmang formimin e sasive të konsiderueshme të fazës së lëngshme dhe deformimin e kampionit. Futja e një sasie të vogël të oksideve të papastërtive në përbërjen bazë ka një efekt pozitiv në vetitë e qeramikës, duke nxitur formimin e strukturës së kërkuar.

Vetitë mekanike dhe elektromagnetike të qeramikës HTSC përcaktohen drejtpërdrejt nga një strukturë dukshëm johomogjene e përbërë nga kokrra, pore dhe mikrodefekte, të cilat, si rregull, lokalizohen në kufijtë e kokrrave. Formimi dhe shkatërrimi i mikrostrukturës së qeramikës superpërçuese ndodh gjatë procesit të sinterimit, i cili kontribuon në shfaqjen e streseve të brendshme dhe funksionimin e materialit në kushte të ndryshme mekanike dhe termike. Qeramikat superpërcjellëse përbëhen nga granula superpërcjellëse, të cilat karakterizohen nga një densitet mjaft i lartë i rrymës kritike jcr, por duke qenë se hapësira ndërgranulare ka një jcr të ulët, densiteti kritik i rrymës së transportit të qeramikës me temperaturë të lartë zvogëlohet, gjë që e ndërlikon përdorimin e saj në teknologji.

Deri më sot, janë krijuar një numër mjaft i madh qeramikash superpërcjellëse që përmbajnë elementë tokësorë të rrallë Y, Ba, La, Nd, Sm, Eu, Cd, Ho, Er, Tm, Lu. Për këto qeramika, studimet eksperimentale japin temperaturën e tranzicionit superpërcjellës në intervalin e temperaturës nga 86 K në 135 K.

Më të zakonshmet janë qeramika e lantanit (La1-xBa)2CuO1-y me Tc = 56 K, qeramika ittriumi me bazë Y-Ba-Cu-O me Tc = 91 K, qeramika bismut me bazë Bi-Sr-Ca-O me Tc = 115 K, qeramika taliumi me bazë Tl-Ba-Ca-Cu-O me Tc = 119 K, qeramika me merkur HgBa2Ca2Cu3O8+x me Tc = 135 K.

Është zhvilluar një teknologji për prodhimin e qeramikës me teksturë, e cila ka bërë të mundur rritjen e densitetit të rrymës me urdhër të madhësisë. Por prodhimi i produkteve, telave ose shiritave mjaft të mëdhenj nga superpërçuesit qeramikë me temperaturë të lartë mbetet një detyrë mjaft e vështirë teknologjike. Elementet masive kompakte të formave dhe madhësive të ndryshme zakonisht bëhen nga qeramika superpërcjellëse oksidi Y-Ba-Cu-O, dhe superpërçuesit e gjatë të përbërë bazohen në komponimet Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O në predha të metaleve dhe lidhjeve të ndryshme. Produkte të tilla kanë një efekt superpërçueshmërie në temperaturat e azotit të lëngshëm dhe më poshtë, karakteristika të larta të rrymës, dhe kur përdoren, bëjnë të mundur uljen e konsiderueshme të peshës dhe dimensioneve të pajisjeve elektrike, uljen e kostove të funksionimit dhe krijimin e sistemeve elektrike shumë efikase dhe miqësore me mjedisin.

Në komponentët e mikrovalës, përdoren filma të hollë të qeramikës HTSC në nënshtresa njëkristalore. Si rregull, parametrat kryesorë të filmave HTSC përfshijnë rezistencën dhe ndjeshmërinë magnetike. Ato prodhohen nga depozitimi në një substrat nga avullimi i rrezeve lazer dhe elektroneve, depozitimi kimik i avullit, spërkatja direkte dhe reaktive e katodës dhe epitaksia e rrezeve molekulare.

Në vitin 1986, superpërçuesit me temperaturë të lartë (HTSC) u zbuluan nga I. G. Bednorz dhe K. A. Muller. Temperatura kritike e HTSC qëndron, si rregull, mbi pikën e vlimit të azotit (77 K). Baza e këtyre përbërjeve janë oksidet e bakrit, dhe për këtë arsye ato shpesh quhen cuprate ose okside metalike. Në 1987, një temperaturë tranzicioni superpërcjellës prej 92 K u arrit në qeramikë YBa 2 Cu 3 O 7; më pas u ngrit në 125 K në përbërjet e taliumit. Temperatura më e lartë kritike e arritur gjatë 10 viteve të hulumtimit të HTSC (~ 145 K) i përket komponimeve me bazë merkur. Tani njihen më shumë se dy duzina komponime HTSC - cuprate të metaleve të ndryshme, ato quhen sipas metaleve bazë: ittrium (për shembull, YBa 2 Cu 3 O 7-x, Tc ~ 90 K), bismut (Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8, Tc ~ 95 K), talium (Tl 2 BaCaCu 2 O 8, Tc~ 110 K), merkur (HgBa 2 CaCu 2 O 6 Tc~ 125 K).

Superpërcjellësit oksid zakonisht përmbajnë 4-5 lloje të ndryshme atomesh, dhe një qelizë kristalografike përmban deri në 20 atome. Pothuajse të gjitha HTSC-të kanë një strukturë shtresore me rrafshe të atomeve Cu dhe O. Numri i shtresave të ndërmjetme të bakrit mund të jetë i ndryshëm; sintetizohen komponime në të cilat numri i shtresave CuO 2 arrin në 5. Prania e oksigjenit luan një rol të rëndësishëm në mekanizëm të superpërcjellshmërisë. Rezultatet e eksperimenteve të shumta tregojnë se rrafshet e oksigjenit janë objekti kryesor në rrjetën kristalografike, të cilat janë përgjegjëse si për përcjellshmërinë e këtyre përbërjeve okside, ashtu edhe për shfaqjen e superpërçueshmërisë në to në temperatura të larta.

HTSC-të janë përfaqësues tipikë të superpërçuesve të tipit II me një raport shumë të madh të gjatësisë së Londrës me gjatësinë e koherencës, në rendin e disa qindrave. Prandaj fusha magnetike H c 2 ka një vlerë shumë të lartë, veçanërisht për Bi 2212 është afërsisht 400 T, dhe H c 1 e barabartë me disa qindra oersted (në varësi të orientimit të fushës në lidhje me kristalin).

Shumica e HTSC-ve karakterizohen nga anizotropi e fortë, e cila çon, veçanërisht, në një natyrë shumë të pazakontë të varësisë së momentit magnetik të këtyre substancave nga forca e fushës nëse është e prirur nga boshtet kryesore kristalografike. Thelbi i efektit është se, për shkak të anizotropisë së konsiderueshme, fillimisht është energjikisht më e favorshme që linjat e vorbullës të vendosen midis shtresave të CuO 2 dhe vetëm atëherë, pas një vlere të caktuar të fushës, të fillojnë të depërtojnë në këto plane.

Teknika eksperimentale Matja e vetive magnetike dhe Tc e superpërçuesve

Teknika e përdorur për matjen e vetive magnetike të superpërcjellësve nuk ndryshon në parim nga ajo e përdorur për të matur substancat e zakonshme magnetike si ferromagnetët, me përjashtim të faktit se ajo duhet të jetë në gjendje të funksionojë në temperatura shumë të ulëta. Metodat eksperimentale mund të ndahen në dy grupe: ato në të cilat fluksi magnetik NË të matura në mostër, dhe ato në të cilat matet magnetizimi i kampionit I(Fig. 23). Secila prej këtyre metodave ofron informacion të plotë për vetitë magnetike të mostrës, por në varësi të rrethanave, ju mund të zgjidhni njërën ose tjetrën. Për matjet magnetike, përdoren një sërë pajisjesh me shkallë të ndryshme kompleksiteti në varësi të ndjeshmërisë, shkallës së automatizimit, etj. Megjithatë, e gjithë kjo teknologji bazohet në metoda të thjeshta, në njërën prej të cilave do të fokusohemi tani.

Superpërçuesi e çon Rusinë përpara

Jo shumë kohë më parë, fenomeni i superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë (HTSC) ishte me interes vetëm për shkencëtarët. Sidoqoftë, sot produktet komerciale fitimprurëse të bazuara në HTSC, përfshirë ato të prodhuara në Rusi, po hyjnë në treg për pajisjet e energjisë elektrike.

Në fillim të shekullit të njëzetë, u zbulua se një sërë metalesh dhe lidhjesh karakterizohen nga superpërçueshmëria, domethënë aftësia për të patur rezistencë zero në temperatura afër zeros absolute (rreth -270°C). Për një kohë të gjatë, superpërçuesit mund të përdoreshin vetëm në temperaturën e heliumit të lëngshëm, gjë që bëri të mundur krijimin e pajisjeve përshpejtues dhe skanerëve të imazhit të rezonancës magnetike.

Materialet qeramike që kanë rezistencë zero në temperatura mbi temperaturën e azotit të lëngshëm (77 K) quhen superpërçues me temperaturë të lartë (HTSC). Sidoqoftë, nëse e kthejmë Kelvinin në gradë Celsius, të cilat janë më të njohura për ne, do të kuptojmë se po flasim për temperatura jo shumë të larta, të themi, rreth minus 169–200 ° C. Edhe dimri i ashpër rus nuk është në gjendje të sigurojë kushte të tilla.
Mendjet e studiuesve janë të ngazëllyer nga ideja e gjetjes së materialeve të afta të kalojnë në një gjendje superpërcjellëse në temperaturën e dhomës (293K). Teorikisht, një mundësi e tillë ekziston. Sipas disa raporteve, vetitë superpërçuese dyshohet se u zbuluan edhe në kokrra individuale të grafitit pas një trajtimi të veçantë. Deri më sot, kërkimi i superpërçuesve "temperatura e dhomës" (RTSC) konsiderohet si një nga detyrat kryesore kërkimore në fushën e nanoteknologjisë. Sidoqoftë, jo vetëm aplikimi praktik, por edhe konfirmimi i besueshëm eksperimental i RTFT mbetet një çështje e nesërme. Industria e sotme e energjisë elektrike po zotëron përdorimin e superpërçuesve me temperaturë të lartë.

Pajisjet e bazuara në superpërçueshmëri në temperaturë të lartë kërkojnë ftohje me azot të lëngshëm. Sipas ekspertëve të industrisë, ky është një ftohës relativisht i lirë dhe i përshtatshëm që siguron një temperaturë prej 77K dhe ju lejon të zbatoni projekte praktike.

Përfitimet e superpërçueshmërisë

Superpërçueshmëria mund të përdoret (dhe tashmë po përdoret) në fusha të ndryshme. Fillimisht u përdor për të krijuar magnet me fushë të lartë. Me ndihmën e superpërçuesve, mund të arrihet levitacioni magnetik, duke lejuar që trenat me shpejtësi të lartë të lëvizin pa probleme, pa zhurmë apo fërkime. Motorët elektrikë me superpërçues me temperaturë të lartë (HTSC) po krijohen për anijet dhe industrinë, të cilët kanë parametra dukshëm më të vegjël të peshës dhe madhësisë me fuqi të barabartë. Superpërcjellshmëria është interesante nga pikëpamja e mikroelektronikës dhe teknologjisë kompjuterike. Superpërcjellësit me temperaturë të ulët përdoren në pajisjet diagnostikuese mjekësore (tomografë), madje edhe në projekte të tilla ekzotike të "megashkencës" si Përplasësi i Madh i Hadronit dhe Reaktori Ndërkombëtar Termonuklear.

Me superpërcjellshmërinë me temperaturë të lartë, ka shpresa për tejkalimin e dilemës globale të energjisë që lidhet, nga njëra anë, me rritjen e vazhdueshme të konsumit të energjisë në të tashmen dhe të ardhmen, dhe, nga ana tjetër, me nevojën për të reduktuar rrënjësisht dioksidin e karbonit. emetimet për të parandaluar ndryshimet klimatike. Në fund të fundit, në fakt, HTSC sjell pajisjet e zakonshme për gjenerimin dhe transmetimin e energjisë elektrike në një nivel thelbësisht të ri për sa i përket efikasitetit.

Një nga aplikimet më të dukshme të superpërçuesve është në transmetimin e energjisë elektrike. Kabllot HTSC mund të transmetojnë fuqi të konsiderueshme me një seksion kryq minimal, d.m.th., ato kanë një gjerësi brezi të një rendi të ndryshëm nga kabllot tradicionale. Kur rryma kalon nëpër një superpërçues, nuk gjenerohet nxehtësi dhe praktikisht nuk ka humbje, gjë që zgjidh problemin kryesor të rrjeteve të shpërndarjes.

Gjeneratorët, falë mbështjelljeve të bëra nga materiale superpërçuese që ofrojnë fusha të mëdha magnetike, bëhen dukshëm më të fuqishëm. Për shembull, koncerni Siemens ka ndërtuar tre gjeneratorë HTSC me fuqi deri në 4 MW. Makina është dy herë më e lehtë dhe më e vogël në krahasim me një gjenerator konvencional me të njëjtën fuqi. Gjithashtu, gjeneratori HTSC tregoi stabilitet më të madh të tensionit kur ndryshon ngarkesa dhe performancë më të mirë për sa i përket konsumit të energjisë reaktive.

Sot, bota po zhvillon në mënyrë aktive gjeneratorë të erës bazuar në superpërçueshmëri me temperaturë të lartë. Kur përdorni dredha-dredha HTSC, është e mundur të krijohen gjeneratorë HTSC me fuqi 10 MW, të cilat do të jenë 2-4 herë më të lehta se ato konvencionale.

Shirit i gjeneratës së dytë

Cilat nga këto ide premtuese janë vënë tashmë në praktikë dhe me përpjekjet e kujt? Para së gjithash, duhet të theksohet se sot tregu ofron superpërçues me temperaturë të lartë të gjeneratës së parë dhe të dytë (HTSC-1 dhe HTSC-2). Për sa i përket vëllimit të produkteve të prodhuara deri më sot, VTSP-1 është ende fitues, por për ekspertët është e qartë se e ardhmja i përket superpërçuesve të gjeneratës së dytë. Kjo për faktin se në hartimin e superpërçuesve HTSC-2, më shumë se 70% është një matricë e bërë prej argjendi.

Një nga kompanitë kryesore ruse që punon në temën e superpërçuesve të gjeneratës së dytë është SuperOx CJSC. Filloi brenda mureve të Universitetit Shtetëror të Moskës Lomonosov, ku një grup shkencor nga Fakulteti i Kimisë punoi në teknologjinë e depozitimit të filmave të hollë të superpërçuesve. Në vitin 2006, bazuar në njohuritë e akumuluara, filloi një projekt tregtar për krijimin e prodhimit vendas të telave HTSC të gjeneratës së dytë.

Në vitin 2011, sfera e interesave të SuperOx u zgjerua përmes bashkëpunimit të ngushtë me kompaninë e sapokrijuar SuperOx Japan LLC. U krijua një linjë pilot prodhimi që lejon prodhimin e telit HTSC me një rrymë kritike deri në 500 A/cm gjerësi. Që nga viti 2011, kompania SuperOx-Innovations është gjithashtu banore në Skolkovo, ku kryen kërkime të aplikuara që synojnë optimizimin e karakteristikave teknike të shiritave HTSC të gjeneratës së dytë dhe zhvillon teknologji të ndryshme për prodhimin e këtyre materialeve. Në vitin 2013, prodhimi i shiritit VTSP-2 filloi në parkun teknologjik të Moskës Slava.

"Produkti ynë, shiriti superpërcjellës i gjeneratës së dytë, është një substrat i bërë nga çelik inox special, rezistent ndaj temperaturave të larta, i cili më pas nuk i humbet vetitë e tij mekanike kur aplikoni filma të hollë," thotë Vadim Amelichev, specialist kryesor në SuperOx SHA. - Me metoda speciale, në këtë nënshtresë aplikohen shtresa oksidi tampon dhe si shtresë funksionale aplikohet një film me kuprat gadolinium-barium. Kjo strukturë është e veshur më pas me shtresa të holla argjendi ose bakri dhe përdoret në pajisjet superpërçuese.
Ky material, me një trashësi filmi prej vetëm një ose dy mikronësh, ka një kapacitet mbajtës të rrymës prej rreth 500 A për 1 mm² seksion kryq, domethënë qindra herë më shumë se ai i një kabllo bakri të zakonshëm. Prandaj, kjo shirit është ideale për aplikacione ku kërkohet rrymë e lartë. Kabllot për rryma të larta, magnet për fusha të larta janë fushat kryesore të aplikimit.”

SuperOx ka një cikël të plotë prodhimi për shiritin VTSP-2. Shitjet e këtij produkti inovativ filluan në vitin 2012, dhe tani materiali furnizohet jo vetëm në Rusi, por eksportohet edhe në nëntë vende, duke përfshirë Bashkimin Evropian, Japoninë, Tajvanin dhe Zelandën e Re.

"Nuk ka shumë prodhues të shiritit VTSP-2 në botë," shpjegon Vadim Amelichev. - Janë dy kompani amerikane, kompani në Korenë e Jugut dhe Japoni. Në Evropë, askush përveç nesh nuk prodhon një shirit të tillë në shkallë industriale. Shiriti ynë u testua në shumë qendra kërkimore dhe konfirmoi konkurrencën e karakteristikave të tij.

Zhvilloni një industri të re

"Përkundër faktit se superpërcjellshmëria me temperaturë të lartë është shfaqur mjaft kohët e fundit, çështjet e aplikimit të saj në teknologji po studiohen intensivisht në vendet e zhvilluara teknologjikisht të botës," thotë Viktor Pantsyrny, Doktor i Shkencave Teknike, anëtar i plotë i AES të Federata Ruse, drejtor zhvillimi i Russian Superconductor SHA. , - Në vendin tonë, në kuadër të Komisionit nën Presidentin e Federatës Ruse për modernizimin dhe zhvillimin teknologjik të ekonomisë ruse, u iniciua si pjesë projekti "Industria e Superpërçuesve". të projektit “Energjia Inovative” në fushën prioritare “Efiçienca e Energjisë”.

Ky projekt në fushën e industrisë së superpërçuesve koordinohet nga kompania ruse Superconductor, e krijuar nga Korporata Shtetërore Rosatom. Gjatë periudhës pesëvjeçare nga 2011 deri në 2015, ata planifikojnë të krijojnë teknologji konkurruese për prodhimin e superpërçuesve të gjeneratës së dytë me temperaturë të lartë, prodhimin pilot të telave me shirita të gjatë (deri në 1000 m) HTSP-2, si dhe zhvillimin e prototipave të pajisjeve të bazuara në tela HTSP-2 për industrinë e energjisë elektrike. Këto përfshijnë gjeneratorët me fuqi të lartë, kufizuesit e rrymës (COT) dhe pajisjet e ruajtjes së energjisë kinetike (KES), si dhe prizat e fuqishme të rrymës për sistemet magnetike, pajisjet e ruajtjes së energjisë induktive (SPIN), transformatorët dhe motorët elektrikë me fuqi të lartë.

Duke filluar nga viti 2016, është planifikuar të nisë prodhimi serik i telave HTSC-2 dhe një sërë pajisjesh të bazuara në to. Rreth 30 organizata janë të përfshira në punën e këtij projekti, duke përfshirë universitete, qendra kërkimore akademike dhe të industrisë, zyrat e projektimit dhe organizatat industriale, në veçanti SHA VNIINM, SHA NIIEFA, SHA NIITFA, SHA GIREDMET, SHA "NIFHI", SHA TVEL, Sh.A. "Tochmash" dhe jashtë tij, në Qendrën Kombëtare të Kërkimeve "Instituti Kurchatov", me emrin ENIN. Krzhizhanovsky, FSBEI MAI, NRNU MEPhI, GUAP, SH.A. Rosseti, SH.A. STC FGC UES, SH.A. SuperOx, SH.A. VNIIKP, SH.A. NIIEM, OKB Yakor etj.

"Strukturisht, projekti përbëhet nga nëntë detyra të kryera paralelisht," shpjegon Viktor Pantsyrny. - Nga viti 2011 deri në 2013 arriti të krijojë prototipet e para operative shtëpiake të makinerive superpërcjellëse - një motor dhe gjenerator 50 kW, një pajisje ruajtëse të energjisë kinetike 0,5 MJ, një kufizues i rrymës së qarkut të shkurtër superpërcjellës 3,5 MW për rrjetet e energjisë 3,5 kV, një transformator superpërcjellës 10 kVA, priza rryme për sistemet magnetike, duke kaluar një rrymë prej 1500A.

Janë krijuar gjithashtu themelet e teknologjisë për prodhimin plotësisht vendas të telave me shirit VTSP-2, duke filluar nga lëndët e para dhe duke përfunduar me metodat për monitorimin e produkteve të gatshme. U gjetën zgjidhje themelore teknologjike që bënë të mundur kalimin në krijimin e prototipeve në shkallë të plotë të pajisjeve energjetike. Kështu, puna për krijimin e një motori 200 kW aktualisht është duke përfunduar.”

Falë përdorimit të dredha-dredha HTSP-2, një motor i tillë, kur instalohet në një automjet elektrik (autobus elektrik), do të rrisë kilometrazhin me 15–20% midis rimbushjeve të baterisë. Është prodhuar dhe po përgatitet për testim në rrjetin e transportit hekurudhor, një kufizues i rrymës së qarkut të shkurtër superpërcjellës me fuqi më shumë se 7 MVA. Po përfundon prodhimi i një gjeneratori 1 MVA, premtues për përdorim në termocentralet me erë.

Bazuar në teknologjitë unike të Rosatom, po krijohet një pajisje e ruajtjes së energjisë kinetike me një pezullim superpërçues të volantëve, e cila ka një kapacitet energjie prej më shumë se 7 MJ. Vlen të përmendet zhvillimi i një pajisjeje të ruajtjes së energjisë induktive e aftë për të çliruar energjinë e akumuluar deri në disa MJ në një kohë jashtëzakonisht të shkurtër. Puna për krijimin e një transformatori superpërcjellës me kapacitet 1000 kVA është gjithashtu në fazën përfundimtare.

"Përveç kësaj, rezultatet më të rëndësishme të projektit do të jenë krijimi i një baze të fuqishme eksperimentale dhe teknologjike, si dhe formimi i ekipeve të specialistëve shumë të kualifikuar në fushën e teknologjive të superpërçuesve," përfundon Viktor Pantsyrny. - Këtë vit, në Qendrën Kërkimore të Institutit Kurchatov do të nisë një linjë gjithëpërfshirëse e prodhimit dhe kërkimit për prodhimin e superpërçuesve me shirit HTSC-2 me anë të ablacionit lazer. Linja do të bëhet një mjet për zhvillimin e shkencës dhe teknologjisë së materialeve HTSC, duke përdorur në masën maksimale infrastrukturën e fuqishme shkencore të Qendrës Kurchatov NBICS. Kjo do të bëjë të mundur zhvillimin intensiv të një zone premtuese të teknologjisë së lartë që çon në komercializimin e teknologjive superpërcjellëse.”

Prezantimi i një mekanizmi levitues bazuar në tela HTSC: Andrey Vavilov shpjegon parimin e funksionimit të modulit gjatë pritjes së kryetarit të bashkisë së Moskës S. Sobyanin në Teknoparkun Slava

kabllot AC

Është e pamundur të mos flasim për projektin rus për krijimin e një kabllo superpërcjellëse 200 m të gjatë. Instituti i Energjisë SHA me emrin. G.M. Krzhizhanovsky" (ENIN), OJSC "Instituti Kërkimor Shkencor Gjith-Rus i Industrisë së Kabllit" (VNIIKP), Instituti i Aviacionit në Moskë dhe OJSC "Qendra Shkencore dhe Teknike e Industrisë së Energjisë Elektrike". Zhvillimi filloi në 2005; në 2009 u krijua një prototip, i cili u testua me sukses në një vend testimi unik të krijuar posaçërisht.

Krijimi i kësaj strukture shumëkomponente është i ndërlikuar nga fakti se shiriti HTSC është jashtëzakonisht i ndjeshëm ndaj ngarkesave mekanike dhe thyerjeve. Pjesa kryesore e operacioneve teknologjike u krye në bazë të SHA VNIIKP. Sidoqoftë, për prodhimin e izolimit të tensionit të lartë, kablloja u transportua në Perm në uzinën Kamsky Kabel.

"Ne kemi kryer operacionin e aplikimit të izolimit të letrës për kabllon HTSC," thotë Alexander Azanov, zëvendës kryeteknolog i Kamsky Cable LLC. - Janë përdorur pajisje unike që janë përdorur më parë për prodhimin e kabllove të tensionit të lartë të mbushur me vaj. Kjo është arsyeja pse nuk u kursyen asnjë burim për dërgimin e produktit gjysëm të gatshëm nga Moska në Perm dhe mbrapa. Dhe unë mendoj se tani për tani, për prodhimin e kabllove të tilla speciale, këshillohet të përdorni pajisje unike të instaluara në fabrika të ndryshme, në vend që të organizoni prodhimin në një vend.
Në të ardhmen e afërt, organizimi i prodhimit masiv të këtij kablli në fabrikën tonë ose në ndonjë fabrikë tjetër nuk ka gjasa, pasi instalimi i linjave me superpërçues kryhet jashtëzakonisht rrallë dhe në gjatësi shumë të shkurtra (jo më shumë se 1 km). Arsyeja kryesore për këtë është kostoja e kabllove HTSC dhe mirëmbajtja e tyre (është e nevojshme të pomponi vazhdimisht azot të lëngshëm përmes kabllit).

kabllot DC

Sot, zhvillimet në fushën e krijimit të kabllove HTSC vazhdojnë. SHA FGC UES dhe SHA Qendra Shkencore dhe Teknike FGC UES po kryejnë R&D të përbashkët "Krijimi i një linje kablloje DC superpërcjellëse me temperaturë të lartë për një tension 20 kV me një rrymë 2500 A dhe një gjatësi deri në 2500 m". Prototipi i parë i sistemit të ardhshëm inovativ të transmetimit të energjisë - dy seksione 30 m të kabllit bipolar superpërçues me temperaturë të lartë, i zhvilluar në Qendrën e Kërkimit dhe Zhvillimit të FGC UES dhe i prodhuar në uzinën Irkutskkabel - kaloi me sukses testet aktuale dhe të tensionit të lartë në 2013 .

Në nëntor 2014, një grup pajisjesh konvertimi për transmetim inovativ prej 50 MW energji elektrike u testua duke përdorur një kabllo superpërcjellëse disa qindra metra të gjatë. Përdorimi i kabllit HTSC për furnizimin me energji elektrike të qyteteve të mëdha do të bëjë të mundur arritjen e një reduktimi të zonave të ndarjes së tokës, braktisjen e ndërtimit të linjave ajrore dhe uljen e humbjeve të energjisë.
Qendra e Kërkimit dhe Zhvillimit të FGC UES vëren se një linjë kabllore DC e bazuar në HTSC ka një sërë avantazhesh në krahasim me një linjë AC. Ai jo vetëm që ju lejon të transmetoni energji me humbje minimale, por gjithashtu kufizoni rrymat e qarkut të shkurtër, rregulloni fuqinë reaktive, kontrolloni rrjedhat e fuqisë dhe siguroni kthimin e saj.

"Është mirë të dish që zhvilluesit rusë të kabllove HTSC janë në ballë," thotë Vitaly Vysotsky, Doktor i Shkencave Teknike, Akademik i Akademisë Ruse të Shkencave, Drejtor i drejtimit shkencor - Drejtor. departamenti i telave dhe kabllove superpërcjellës të SHA "VNIIKP". - Për shembull, një kabllo 200 m ishte më e madhja në Evropë në vitet 2009-2013, dhe vetëm në 2014 u instalua një kabllo 1 km në Gjermani. Por ky rekord do të thyhet edhe me testimin e një kabllo 2.5 km për Shën Petersburg”.

Nga mbështetja e shtetit tek investimet private

Ekspertët parashikojnë zhvillim mjaft aktiv të tregut global dhe rus të superpërçuesve. Kështu, Andrey Vavilov, Kryetar i Bordit të Drejtorëve të SuperOx CJSC, vëren se vëllimi i tregut global të HTSC po dyfishohet çdo vit dhe do të arrijë në 1 miliard dollarë në 2017, ndërsa pjesa e Federatës Ruse në tregun global mund të vlerësohet afërsisht. 10%.

"Tregu i superpërçueshmërisë për industrinë e energjisë elektrike duhet të zhvillohet, pasi dendësia e konsumit të energjisë po rritet vazhdimisht dhe pa superpërçueshmëri është e pamundur të mbështeten kërkesat në rritje," thotë Vitaly Vysotsky. - Megjithatë, punëtorët e energjisë janë shumë konservatorë në lidhje me çdo gjë të re, madje edhe të shtrenjtë. Prandaj, tani për tani detyra kryesore është promovimi i projekteve të reja me mbështetjen e organizatave qeveritare. Kjo do të jetë dëshmi e besueshmërisë dhe efikasitetit të pajisjeve superpërcjellëse. Shfaqja e projekteve të reja do të krijojë kërkesë për prodhimin e shiritave HTSC, do të rrisë prodhimin e tyre dhe do të ulë çmimet, gjë që do të ndihmojë përsëri zhvillimin e tregut.”

“Në këtë fazë, një zgjidhje gjithëpërfshirëse për të gjitha detyrat e vendosura është e pamundur pa ndihmën gjithëpërfshirëse të shtetit, por çdo vit rritet atraktiviteti i investimeve të teknologjisë HTSC, gjë që bën të mundur që të pritet një fluks investimesh private në zhvillimin e mëtejshëm tregtar të saj. me një shkallë të lartë besimi,”

Është dakord me kolegun e tij Viktor Pantsyrny.

Ekspertët janë të kënaqur që në përgjithësi, në nivel shtetëror, ekziston një kuptim i rëndësisë së teknologjive superpërcjellëse.

“Zhvillimi i industrisë së superpërçuesve është i një rëndësie kombëtare dhe është një pjesë e rëndësishme e kalimit në një mënyrë inovative të zhvillimit të ekonomisë së vendit. Kjo u tha së fundmi në një takim të zgjeruar të Këshillit Këshillimor nën Kryetarin e Komitetit të Energjisë të Dumës Shtetërore të Asamblesë Federale të Federatës Ruse, ku, në veçanti, u vu re se për të siguruar pavarësinë ekonomike dhe politike të Rusisë , është strategjikisht e nevojshme që të ketë prodhim vendas të materialeve superpërcjellëse me temperaturë të ulët dhe të lartë, pajisje superpërcjellëse dhe produkte të bazuara në to".

Raportuar nga Viktor Pantsyrny.

Planet e së ardhmes

Ne i kërkuam ekspertëve të vlerësojnë se cilat aplikacione të superpërçueshmërisë i shohin si më premtuesit dhe ku mund të presin përdorimin komercial të teknologjisë në vitet e ardhshme.

“Ashtu si në të gjithë botën, sot në Rusi projektet e kabllove superpërcjellëse janë më të avancuara. Ata duhet dhe, ne shpresojmë, do të zhvillohen, - thotë Vitaly Vysotsky. - Kabllot superpërçues të bazuar në HTSC janë tashmë një produkt thjesht komercial, megjithëse janë ende mjaft të shtrenjtë. Ai do të bëhet më i lirë kur të fillojë prezantimi i tij i gjerë dhe të kërkohet një sasi e konsiderueshme shiritash HTSC, gjë që do të ulë koston e prodhimit të tyre.
Sidoqoftë, për mendimin tim, kufizuesit e rrymës së qarkut të shkurtër superpërcjellës për nivelet e tensionit prej 100 kV e lart janë më të domosdoshmit dhe më të kërkuarit për industrinë e energjisë elektrike. Pajisjet konvencionale të kësaj klase të tensionit thjesht nuk ekzistojnë, dhe superpërçueshmëria është thjesht e domosdoshme këtu. Projekte të tilla tashmë po diskutohen në vendin tonë. Për më tepër, për mendimin tim, makinat HTSC për turbinat e erës kanë perspektiva të mira. Ata premtojnë një ulje të konsiderueshme (shumë herë) të peshës së një gjeneratori të vetëm dhe një rritje të një fuqie të vetme.

"Sot, shtytësi i zhvillimit të tregut të produkteve superpërcjellëse është industria e energjisë elektrike (kabllot e energjisë dhe kufizimet aktuale), - beson Andrey Vavilov. “Por ka potencial të rëndësishëm edhe në një sërë industrish të tjera. Për shembull, sot po zhvillohen opsione për përdorimin e telit HTSC si një zëvendësim efektiv për superpërçuesit me temperaturë të ulët në teknologjinë e përshpejtuesit të përdorur në shkencë, prodhimin e izotopeve dhe mjekësi. Rusia ka plane të mëdha në këtë fushë, në veçanti, ndërtimin e një përplasësi modern NICA në Dubna.
Krijimi i makinerive rrotulluese efikase me karakteristika tërheqëse unike, masë dhe peshë të ulët ka një potencial të madh. Motorë të tillë kërkohen kryesisht për të siguruar lëvizjen e anijeve të mëdha, dhe gjeneratorët mund të përdoren në energjinë e rinovueshme.
Fenomeni i levitacionit magnetik hap perspektiva krejtësisht të reja sot. Këto nuk janë vetëm sisteme transporti, por edhe manipulues pa kontakt, si dhe kushineta të qëndrueshme me një gamë të gjerë aplikimesh.”

“Zhvillimi i mëtejshëm i superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë do të ketë një efekt të theksuar shumëfishues jo vetëm në industrinë e energjisë elektrike, por edhe në industri të tjera, si hapësira, aviacioni, transporti detar, rrugor dhe hekurudhor, inxhinieria mekanike, metalurgjia, elektronika, mjekësia, dhe teknologjia e përshpejtuesit. Teknologjitë e superpërçueshmërisë janë gjithashtu të rëndësishme për forcimin e aftësive mbrojtëse të vendit."

Victor Pantsyrny është i bindur.

Me një fjalë, zhvillimi i mëtejshëm i teknologjive të bazuara në superpërçueshmëri hap perspektiva të mëdha për njerëzimin, dhe tashmë në të ardhmen e parashikueshme.

budivel.ru Rreth izolimit dhe ngrohjes së shtëpisë.