Фізики виявили матеріал, який стає надпровідним при температурі трохи вище, ніж найхолодніша температура на Землі. Це відкриття може ознаменувати нову епоху вивчення надпровідності. Світ надпровідності загудів. Минулого року Михайло Єремець та пара його колег з Інституту хімії Макса Планка в Майнці, Німеччина, зробили незвичайні заяви про спостереження надпровідного сірководню при -70 градусах за Цельсієм. Це на 20 градусів вище за будь-який інший матеріал, за яким залишається поточний рекорд.
Результати роботи вчених почали обговорювати, коли їх вперше розмістили на arXiv. На той момент фізики обережно висловлювалися про свою роботу. Історія надпровідності усіяна трупами сумнівних заяв про високотемпературну активність, які згодом виявилося неможливо відтворити.
З того часу минуло чимало часу, Єремець і колеги завзято трудилися, щоб зробити остаточні та переконливі докази. Кілька тижнів тому їхня робота була опублікована в журналі Nature, тим самим поставивши штамп респектабельності, необхідної в сучасній фізиці. знову замиготіли в заголовках.
Антініо Бьянцоні та Томас Ярлборг з Римського міжнародного центру матеріалознавства в Італії зробили огляд своєї захоплюючої галузі роботи. І проробили теоретичну роботу, що роз'яснює праці Єремця та його колег.
Для початку трохи передісторії. Надпровідність - це явище нульового електричного опору, яке зустрічається в деяких матеріалах, коли вони охолоджуються нижче за критичну температуру.
Це добре відомо у звичайних надпровідниках, які по суті є жорсткими ґратами позитивних іонів, що купаються у морі електронів. Електричний опір виникає, оскільки електрони врізаються в ці ґрати і втрачають енергію в міру руху через неї.
Однак за низьких температур електрони можуть з'єднуватися один з одним з утворенням куперівських пар. У той же час грати стають досить жорсткими, щоб дозволити когерентний рух хвиль, званих фононами.
Надпровідність народжується, коли куперовські пари і фонони подорожують разом через матеріал, і хвилі значно розчищають шлях для електронних пар. Це настає, коли вібрації ґрат – її температура – стає достатньо сильною, щоб розірвати куперовські пари. Це критична температура.
До недавнього моменту найвищою критичною температурою такого роду була позначка -230 градусів за Цельсієм (40 за Кельвіном).
Існує три основні характеристики, які шукають вчені для підтвердження надпровідності матеріалу. Перша - раптове падіння електричного опору, коли матеріал охолоджується нижче за критичну температуру. Друга – витіснення магнітного поля з матеріалу, ефект, відомий як ефект Мейснера.
Третя – зміна критичної температури, коли атоми у матеріалі замінюються ізотопами. Відбувається це тому, що різниця в масі ізотопів призводить до того, що грати вібрують по-різному, що змінює критичну температуру.
Але є ще один вид надпровідності, набагато менш зрозумілий. Він включає певні керамічні речовини, виявлені в 1980-х роках, які стають надпровідними за температур до -110 градусів за Цельсієм. Ніхто насправді не розуміє, як вони працюють, але більшість досліджень у суспільстві надпровідності зосереджена на цих екзотичних матеріалах.
Єремець та його колеги, швидше за все, змінили розстановку позицій. Можливо, найбільшим сюрпризом у їхньому прориві стало те, що він не включає «високотемпературний» надпровідник. Він включає звичайний сірководень, за яким ніколи не помічали, щоб він був надпровідником при температурах вище 40 градусів за Кельвіном.
Єремець та його колеги досягли своєї мети, стиснувши цей матеріал під тиском, що існує лише у центрі Землі. У той самий час їм вдалося виявити докази всіх найважливіших характеристик надпровідності.
А поки що їх експерименти продовжуються, теоретики ламають голову, намагаючись це пояснити. Багато фізиків вважали, що була якась теоретична причина того, чому традиційні надпровідники не можуть працювати при температурі вище 40 градусів за Кельвіном. Але виявилося, що в теорії немає нічого, що перешкоджає роботі надпровідників за більш високих температур.
У 1960-х роках британський фізик Ніл Ешкрофт передбачив, що водень повинен бути в змозі надпроводити при високих температурах і тисках, можливо навіть при кімнатній температурі. Його ідея полягала в тому, що водень настільки легкий, що повинен утворювати ґрати, здатні вібрувати при дуже високих частотах і, отже, ставати серхпровідником за високих температур і тисків.
Єремець та його колеги, схоже, підтвердили цю ідею. Або принаймні щось на зразок цього. Є безліч теоретичних складок, які потрібно прибрати, перш ніж фізики зможуть сказати, що мають правильне розуміння того, що відбувається. Теоретична робота продовжується.
Тепер гонка полягає в пошуку інших надпровідників, які працюватимуть за ще більш високих температур. Одним із перспективних кандидатів є H3S (а не H2S, над яким спочатку працював Єремець).
І, звичайно, фізики починають думати про застосування. Використовувати такі матеріали дуже непросто, і не тільки тому, що вони є надпровідниками при високому тиску.
Але фантазувати не заважає нічого. «Це відкриття має значення не тільки для матеріалознавства та конденсованої матерії, а й в інших сферах, від квантових обчислень до квантової фізики живої матерії», - кажуть Б'янцені та Ярлборг. Вони також висувають цікаву ідею, що такий надпровідник працює при температурі, яка на 19 градусів вище за найхолоднішу температуру на Землі.
Можливо, у найближчі місяці та роки ми почуємо ще багато цікавого про надпровідники.
Аж досі практичного застосування було дуже обмеженим внаслідок їх низьких робочих температур - менше 20К. Відкриття 1986 р. високотемпературних надпровідників, які мають критичні температури
змінило
ситуацію,
спростивши весь комплекс питань охолодження (робоча температура обмоток «виросла», вони стали менш чутливими до теплових збурень). Тепер з'явилися можливості
створення
покоління
електрообладнання,
використання
низькотемпературних
надпровідників
виявилося
б надзвичайно
дорогим,
нерентабельним.
Друга половина 90-х років минулого століття – це початок широкого
настання
високотемпературної
надпровідності на електроенергетику. Високотемпературні
надпровідники
використовувати
виготовленні
трансформаторів,
електричних
індуктивних
накопичувачів
необмеженим
зберігання), обмежувачів струму тощо. У порівнянні із встановленими
характеризуються
зменшеними
втратами
та габаритами та забезпечують підвищення ефективності виробництва, передачі та розподілу електроенергії. Так, надпровідні трансформатори будуть мати
втратами,
ніж трансформатори тієї ж потужності, що мають звичайні обмотки. Крім того, надпровідні трансформатори
здатні
обмежувати
перевантаження,
не потребують мінеральної олії, а значить екологічні і не схильні до ризику займання. Надпровідні обмежувачі
тимчасові
характеристики, тобто менш інерційні; включення в електричну мережу надпровідних генераторів та накопичувачів енергії покращить її стабільність. Токонесуча здатність
підземних
надпровідні
може бути в 2-5 разів вище, ніж у звичайних. Надпровідні кабелі набагато компактніші, тобто суттєво полегшується їх прокладання в умовах насиченої міської/приміської інфраструктури.
Показові
техніко-економічні
розрахунки південно-корейських
енергетиків,
проведені
рамках довготривалого
планування
електричних
мереж Сеульського регіону. Їхні результати свідчать про те, що прокладка на 154 кВ, 1 ГВт надпровідними
кабелями
обійдеться
ніж звичайними.
включаються
конструювання та монтаж кабелю та кабелепроводів (враховується зменшення кількості необхідних ниток та, відповідно, зменшення загальної кількості кабелю в км та зменшення внутрішнього діаметра кабелепроводів). Європейські фахівці при опрацюванні подібних питань звертають увагу на той факт, що з надпровідним
значно
напрузі.
Отже, зменшиться електромагнітне забруднення навколишнього
густонаселених
відмовитися від ліній надвисокої напруги, прокладання яких
зустрічає
серйозне
опір громадськості, особливо «зелених». Вселяє оптимізм та оцінка, зроблена в США: використання
надпровідного
обладнання
про генератори, трансформатори і двигуни) і кабелів у національну енергетику дозволить заощадити до 3% усієї електроенергії. При цьому, широке поширення
останніх
Було наголошено, що основні зусилля розробників необхідно зосередити на: 1) підвищенні ефективності кріосистем; 2) підвищення токонесучої здатності
надпровідні
проводів
динамічні втрати та збільшити частку надпровідника за перерізом дроту); 3) зниження вартості надпровідних проводів (зокрема, за рахунок зростання продуктивності);
4) зниження витрат на кріогенне обладнання. Зазначимо, що найвища досягнута на сьогоднішній день «інженерна» критична щільність струму (критичний струм, поділений на повну площу перерізу) двосотметрового відрізка стрічки на основі Bi-2223 становить 14-16 кА/см2 при температурі 77К. У розвинених країнах здійснюється планова комерціалізація
технологій
високотемпературних надпровідників. Показовою з цього погляду є американська програма «Надпровідність для електроенергетики 1996-2000 рр.». Відповідно до цієї програми,
включення
надпровідні
компонент
електроустаткування забезпечить глобальне стратегічне
перевага
промисловості
ХХІ ст. При цьому слід мати на увазі, що за оцінками Світового банку за майбутній 20-річний період (тобто до 2020 р.) очікується 100-кратне зростання обсягу продажів надпровідного.
обладнання
електроенергетичних
пристроїв
зросте
32 млрд дол. (загальний
надпровідників,
що включає
такі галузі застосування, як транспорт, медицина, електроніка та наука, досягне рівня 122 млрд дол.).
Зауважимо, що Росія поряд із США та Японією зберігала лідерство
розвитку
надпровідні
технологій на початок 90-х років ХХ ст. З іншого боку, інтереси
промислово-технічної
Безпека Росії, безсумнівно, вимагає їх енергійного використання як в електроенергетиці, так і в інших галузях. Прогрес надпровідної технології та її «просування» на світовий електроенергетичний ринок сильно
результатів
демонстрації
успішної роботи повнорозмірних прототипів з усіх видів продукції. Які
досягнення
світового
суспільства
в цьому напрямку? У Японії під патронажем Міністерства економіки, торгівлі та промисловості здійснюється довготривала
програма
галузі розробки
ВТСП-обладнання,
насамперед, силових кабелів.
Проект поділений на дві фази: фаза 1 (2001-2004 рр.) та фаза 2 (2005-2009 рр.).
Координаторами
є
Організація
розвитку нових технологій в енергетиці та промисловості (NEDO) та Дослідницька асоціація з надпровідного обладнання та матеріалів (Super-GM). В
задіяні
KEPCO, Furukawa, Sumitomo, Fujikura, Hitachi та ін. (ВТСП-кабелі); KEPCO, Sumitomo, Toshiba та ін. (ВТСП-обмежувачі струму); TEPCO, KEPCO, Fuji Electric та ін. (ВТСП-магніти). У галузі кабелів роботи зосередяться на розробці
ВТСП-провідни-ка
динамічними втратами
охолоджувальної
здатний
довготривало
підтримувати
температуру
кабелю (близько 77К) довжиною 500 м. Згідно з програмою, фаза 1 закінчується виготовленням десятиметрового кабелю на 66-77 кВ (3 кА), що має динамічні втрати не більше 1 Вт/м, а фаза 2 - виготовленням кабелю п'ятисотметрового на 66-77 кВ (5 кА) з такими ж втратами. Роботи
відпрацьована конструкція
виготовлені
випробувані
перші відрізки, створена та випробувана система охолодження.
Паралельно,
Furukawa, Sumitomo ведуть ще один проект з розвитку електричних
токійського
надпровідні. В рамках цього проекту проаналізовано можливість підземного прокладання ВТСП-кабелю на 66 кВ (три фази), що має діаметр 130 мм (його можна монтувати в існуючих кабелепроводах діаметром 150 мм), замість звичайного однофазного кабелю на 275 кВ. Виявилося, що навіть у разі будівництва нових
кабелепроводів,
надпровідну лінію будуть на 20% нижчими (виходячи з ціни надпровідного дроту 40 дол. за 1 кА м). Етапи проекту послідовно виконуються: до 1997 р. змонтовано тридцятиметрову
(однофазна)
прототипна
із замкнутим циклом охолодження. Вона була випробувана під навантаженням 40 кВ/1 кА протягом 100 год. До весни 2000 виготовлено 100 метрів кабелю на 66 кВ (1 кА)/114 МВА - повнорозмірного прототипу діаметром 130 мм (конструкція з «холодним» діелектриком). Масштабний підхід до цієї проблеми демонструють США. У 1989 р. з ініціативи EPRI почалося детальне дослідження застосування високотемпературних надпровідників, і вже наступного року фірми Pirelli
Superconductor Corp. розробили технологію виготовлення надпровідних
«порошок
трубці»).
Надалі American Superconductor постійно нарощувала
виробничі
потужності,
досягнувши показника 100 км стрічки на рік, а в найближчому майбутньому, з введенням в дію нового заводу в м. Дівенсе (штат Міннесота), ця цифра сягне 10000 км на рік. Прогнозована ціна стрічки становитиме 50 дол. за 1 кА м (зараз фірма пропонує стрічку по 200 дол. за 1 кА м). Наступний
найважливіший
поява
так званої партнерської ініціативи у галузі надпровідності (Superconductivity Partnership Initiative - SPI)
прискореної
розробки
впровадження
енергозберігаючих електричних систем Вертикально інтегровані
SPI-команди,
що включають
партнерів з
промисловості,
національні
лабораторії
та експлуатаційні
компанії,
здійснили
два серйозні проекти. Одним із них є повнорозмірний прототип - надпровідна трифазна лінія (Pirelli Cavi e Sistemi,
зв'язала
низьковольтну
трансформатора 124 кВ/24 кВ (потужність 100 МВА) з 24 кВ-шинами двох розподільних підстанцій, що знаходяться на відстані 120 м (станція Фрісбі компанії Детройт Едісон, м. Детройт).
Успішні випробування лінії пройшли
електроенергія надійшла до споживачів, «пройшовши» надпровідними кабелями на основі Bi-Sr-Ca-Cu-O. Три таких
(конструкція
«теплим»
діелектриком, причому кожен провідник був виготовлений однією довжиною
замінили
при однаковій
токонесучою
здібності
кабель розрахований на 2400 А (втрати 1 Вт/м на фазу) та прокладений у існуючих стомілліметрових підземних каналах. При цьому траєкторія прокладки має повороти на 90 про: кабель допускає вигин з радіусом 0,94 м. Підкреслимо, що це перший досвід прокладання надпровідного.
чинною
розподільної мережі в енергетичному господарстві великого міста. Другий
тридцятиметрова
надпровідна
на 12,4 кВ/1,25 кА (60 Гц) яка була пущена в експлуатацію 5 січня 2000 (робоча температура 70-80К, охолодження
тиском).
Лінія, що є три трифазних надпровідних
забезпечує
електроенергією три
промислові
установки
штаб-квартирі Southwire Company, у Каролтоні (штат Джорджія). Втрати при передачі становлять близько 0,5% порівняно з 5-8%, а потужність, що передається, в 3-5 разів вище, ніж при використанні традиційних кабелів того ж діаметра.
святкової
атмосфері була відзначена річниця успішної роботи лінії зі 100% навантаженням протягом 5000 год. Ще три проекти стартували у 2003 р., роботи з них знаходяться
початковий
цікавий
включає
монтаж підземної надпровідної лінії на 600 МВт/138 кВ завдовжки близько 1 км, яка буде включена до діючої
навантаження і пройде існуючими кабелепроводами в Іст-Гарден-Сіті
Лонг-Айленд.
Необхідний
кабель буде
виготовлений
спеціалістами фірми Nexans (Німеччина), на основі надпровідника, випущеного на вже згадуваному заводі в Дівенсі, а кріогенне обладнання
поставити
Міністерство енергетики США фінансує ці роботи наполовину, вкладаючи близько 30 млн дол.; решту забезпечують партнери. Цю лінію планується ввести в дію до кінця 2005 року.
якого
виготовлений
трифазний надпровідний кабель, розрахований на 36 кВ/2 кА (конструкція
«теплим»
діелектриком,
охолодження рідким азотом під тиском; критичний досягає 2,7 кА одну фазу (Т=79К)). При цьому особлива увага
приділялося
розробці
провідника
км стрічки на основі Bi-2223), кінцевих пристроїв, а також його
підключення.
був прокладений,
підстанції острова Амагер (південна частина Копенгагена), що постачає електроенергію 50 тис. споживачів, включаючи
освітлювальну
мережу (потужність вихідного трансформатора 100 МВА). Тридцятиметрова надпровідна лінія почала функціонувати 28 травня 2001: спочатку надпровідний кабель включили паралельно зі звичайним, а пізніше він працював вже «поодинці», причому номінальний склав 2 кА, втрати - менше 1 Вт/м (робоча температура лежала в межах ) 84К). Кабель передає 50% всієї енергії підстанції та замінює мідні кабелі із сумарним перетином жил 2000 мм 2 . До травня 2002 р. кабель експлуатувався 1 рік, перебуваючи у захопленому стані; за цей час він «поставив» 101 МВт год електроенергії 25 тис. датчан – власникам приватних будинків. Зміни параметрів кабелю не відзначено, всі кріогенні системи діють стабільно. Окрім датського, цікавий загальноєвропейський проект
зі створення міжсистемного зв'язку - спеціальної трифазної надпровідної лінії завдовжки 200 м, яка розрахована на 20 кВ/28 кА.
Для його реалізації організовано
консорціум,
Nexans (Німеччина),
(Франція),
(Бельгія),
фахівці
Геттінгена
Тампере (Tampere University of Technology). Серед європейських виробників надпровідних кабелів виділяється фірма Pirelli Cavi e Sistemi. Її виробничі
потужності
дозволяють
випускати
км надпровідника на рік. Значна подія – виготовлення
двадцятиметрового
коаксіального надпровідного
(конструкція
"холодним" діелектриком), розрахованого на 225 кВ. Pirelli спільно з американськими фахівцями (Edison та CESI) бере участь
створенню
тридцятиметрового кабелю-прототипу на 132 кВ/3кА (1999-2003). Переходячи від кабелів до великого електрообладнання - трансформаторів, відзначимо, що з усієї енергії, що втрачається під час передачі, на них припадає 50-65%. Очікується, що з використанням надпровідних трансформаторів
зменшиться
доходити
Надпровідні трансформатори зможуть успішно конкурувати зі звичайними лише при виконанні співвідношення (P s /k)< P c , где Р с - потери в обычном трансформаторе, P s - потери
надпровідному
трансформаторі
робочих температурах), k - холодильний коефіцієнт рефрижератора. Сучасна технологія, зокрема кріогеніка, дозволяє задовольнити цю вимогу. У Європі перший прототип трифазного трансформатора (630 кВА; 18,7 кВ/420 В) на високотемпературних надпровідниках був виготовлений у рамках спільного
France), American
de Geneve) і пущений в дію в березні 1997 р. - його включили в електричну мережу Женеви, де він пропрацював понад рік,
забезпечуючи
енергією
Обмотки трансформатора
виконані
проводом
основі Bi-2223,
охолоджується
сердечник трансформатора знаходиться за кімнатної температури. Втрати виявилися досить високими (3 Вт на 1 кА м), оскільки конструкція провідника була оптимізована для використання на змінному струмі.
Другий проект тих самих учасників – ABB, EdF та AСС – це трансформатор на 10 МВА (63 кВ/21 кВ), який у 2001 р. пройшов повний цикл лабораторних випробувань та у 2002 р. був включений у французьку енергосистему. Фахівці АВВ ще раз наголосили, що зараз основний
проблемою
розробки
економічного
надпровідного обладнання, зокрема трансформаторів, є наявність дроту з малими втратами та високою
критичної
щільністю
магнітному
поле, що генерується обмотками. Провід повинен, крім того, забезпечувати струмообмежувальну функцію. У Японії (Fuji Electric, KEPCO та ін.) сконструювали прототип надпровідного трансформатора на 1 МВА (22 кВ (45,5 А)/6,9 кВ (145 А)), який у червні 2000 р. був включений до мережі електроенергетичної компанії Kyushu. В
завершальною
знаходиться
розробка
(Kyushu University
(Токіо)) трансформатора
який призначений
установки
електрорухомий
складі. Попередні розрахунки свідчать, що його маса має бути на 20 % менше, ніж у звичайного трансформатора тієї ж потужності.
У США успішно пройшла демонстрація надпровідного трансформатора на 1 МВА, розпочато роботи з
апарату
потужністю
Waukesha Electric
and Electric, і навіть ORNL). Німецькі спеціалісти (Siemens) створили прототип трансформатора
перспективі
розробка апаратів на 5-10 МВА з обмотками на основі Bi-2223, який можна встановлювати на локомотивах електрорухомого.
призначений
для звичайного
трансформаторів.
надпровідного трансформатора на 35% менше, ніж у звичайних, а ККД досягає 99%. Розрахунки показують, що його застосування забезпечить економію до 4 кВт на склад і річне зниження викидів СО 2 на 2200 т на один склад. Складніше ситуація з синхронними електричними машинами на високотемпературних надпровідниках.
Відомо, що потужність звичайної пропорційна її обсягу V; Неважко показати, що потужність надпровідної машини пропорційна V 5/3 , тому виграш у зниженні габаритів матиме місце тільки для машин великої потужності,
наприклад,
генераторів
корабельних
двигунів.
очікувати на впровадження надпровідних технологій (рис. 1).
свідчать
тому, що для генератора потужністю 100 МВт необхідний високотемпературний надпровідник, що має критичну щільність струму 4,5 10 4 А/см 2 магнітному полі 5 Тл. При цьому його механічні властивості, а також ціна, повинні бути порівняні з Nb 3 Sn. На жаль, поки що не
існує
високотемпературних
надпровідників, що повністю задовольняють цим умовам. З
невисока
активність американських,
європейських
японських
цій галузі. Серед них – успішний демонстраційний
спільно
з Rockwell Automation/Reliance Electric (партнери по вже згадуваній
синхронного
двигуна
на 746 кВт та подальша розробка машини на 3730 кВт.
фахівці
конструюють
двигун
генератор.
У Німеччині фірма Siemens пропонує синхронний двигун 380 кВт на високотемпературних надпровідниках.
Фінляндії
випробувана
чотириполюсна синхронна машина на 1,5 кВт з трековими обмотками, виконаними дротом на основі Bi-2223; її робоча температура становить 20К. Крім того, існує низка інших застосувань високотемпературних надпровідників в електромашинобудуванні.
кераміку
високотемпературних надпровідників можна використовувати при виготовленні пасивних магнітних підшипників для невеликих високошвидкісних двигунів, наприклад для насосів, що перекачують зріджені гази.
Роботу одного з таких двигунів, на 12000 об/хв, нещодавно було продемонстровано у Німеччині. У рамках спільної російсько-німецької програми сконструйовано серію гістерезисних
двигунів
(Потужністю
«діяльності»
високотемпературні надпровідники - пристрої, що обмежують короткого замикання до номінальної величини. Найбільш підходящими матеріалами для надпровідникових обмежувачів вважаються кераміки
причому розробки
апаратів
основні
електротехнічні
Великобританії,
Німеччини, Франції, Швейцарії, США, Японії та інших країнах. Однією з перших моделей (фірма АВВ) був обмежувач індуктивного типу на 10,5 кВ/1,2 МВА, що має елемент Bi-2212, поміщений в кріостат. Ця ж фірма випустила компактний прототип - обмежувач резистивного типу на 1,6 МВА, який значно менший за перший. У ході випробувань 13,2 кА було обмежено у першому піку до 4,3 кА. Через нагрівання 1,4 кА обмежується за 20 мс і 1 кА за 50 мс.
Конструкція
обмежувача
представляє
мм (маса 50 кг). У ньому прорізані канали, що дозволяє мати
еквівалентну
надпровідника
м. Наступний
прототип
на 6,4 МВА. Вже зараз можливе створення обмежувача на 10 МВА, а випуск комерційних обмежувачів такого типу очікується найближчим часом. Наступною метою АВВ є обмежувач на 100 МВА. Фахівці фірми Siemens випробували індуктивні
обмежувачі:
трансформатор
екрануванням сталевого сердечника надпровідниковою обмоткою та другий варіант - надпровідник виконаний у вигляді циліндра, на ньому намотана мідна обмотка. У обмежує
опору
омічна
індуктивні компоненти. Через можливі перегріви в зонах з короткого замикання повинен якнайшвидше відключатися звичайним вимикачем.
Повернення
надпровідне
стан
кількох
десятків секунд, після цього обмежувач готовий до роботи. В
надалі
резистивний
обмежувач,
надпровідник включається безпосередньо в мережу і швидко втрачає надпровідність, як тільки короткого замикання
перевищить
критичне
значення.
нагрівання надпровідника механічний вимикач повинен розірвати
кількох
напівперіодів; охолодження
надпровідникової
наводить
до надпровідного стану. Час повернення обмежувача становить 1-2 сек.
Однофазну модель такого обмежувача потужністю 100 кВА зазнали на робочій напрузі 6 кВ при номінальному струмі 100 А. Можливий
короткого
замикання,
кА був обмежений до струму 300 А менш ніж за 1 мс. Фірма Siemens продемонструвала обмежувач на 1 МВА на стенді в Берліні, причому заплановано виготовлення прототипу потужністю 12 МВА. У США перший обмежувач – він мав індуктивно-електронну
розроблений
компаніями General Atomic, Intermagnetics General Corp. та ін Десять років тому як демонстраційний зразок було встановлено обмежувач струму на випробувальному стенді Norwalk енергокомпанії Southern California Edison. При номінальному струмі 100 А максимально можливе короткого замикання 3 кА обмежується до 1,79 кА. У 1999 р. сконструйовано апарат на 15 кВ з робочим струмом 1,2 кА, призначений обмеження струму короткого замикання 20 кА до значення 4 кА. У Франції фахівцями компаній GEC Alsthom, Electricite de France та ін. випробуваний обмежувач на 40 кВ: він знизив коротке замикання з 14 кА (початковий до замикання становив 315 А) до 1 кА за кілька мікросекунд. Залишок короткого замикання був вимкнений протягом 20 мс звичайним вимикачем. Варіанти обмежувачів розроблені на 50 та 60 Гц. У Великій Британії компанія VA TECH ELIN Reyrolle розробила обмежувач гібридного (резистивно-індуктивного) типу, який у ході випробувань на стенді (11 кВ, 400 А) знижував короткого замикання з 13 кА до 4,5 кА. При цьому час реакції обмежувача менше 5 мс, обмежується вже перший пік; час роботи обмежувача – 100 мс. Обмежувач (трифазний) містить 144 стрижні з Вi-2212, а його габарити 1 х 1,5 х 2 м.
У Японії надпровідний обмежувач струму виготовлений спільно фірмами Toshiba та TEPCO – індуктивного типу, на 2,4 МВА; він містить елемент із масивної кераміки Bi-2212. Усі перелічені проекти – це прототипи «початкового періоду», які мають продемонструвати
можливості
надпровідний
технології, її значущість для електроенергетики, але все ж вони є
настільки
представницькими,
щоб можна
негайного
промислового впровадження та успішний маркетинг. Перша причина такої обережності полягає в тому, що провідники на основі Bi-Sr-Ca-Cu-O ще перебувають у стадії розробки та в даний час виготовляються
критичної
щільністю
рівні 30 кА/см 2 довжинами лише близько кілометра. Подальше поліпшення цих провідників (посилення пінінгу, підвищення щільності жил, запровадження бар'єрів навколо них тощо) має призвести до збільшення J c до 100 кА/см 2 і більше.
суттєве
прогрес надпровідної технології та стимулює розробку нових
конструкцій
обладнання
Певні надії пов'язують також з успіхами в отриманні провідників з надпровідним покриттям (це наступне покоління надпровідних проводів), що мають помітно більш високу J c в магнітному полі до кількох Тл. Тут можливе виготовлення надпровідних стрічок, здатних нести струми на рівні 1 кА за розумних виробничих витрат. У США ці стрічки
розробляються
MicroCoating Technologies,
Superconductivity
Oxford Superconductor Technology.
Друга причина полягає в тому, що питання стандартизації провідників Bi-Sr-Ca-Cu-O та нормативна база, необхідна для їх застосування в галузі передачі та розподілу електроенергії, недостатньо опрацьовані. Як правило, стандарти містять посібник з проведення механічних, теплових та електричних
випробувань
матеріалів
обладнання.
Оскільки надпровідні пристрої потребують кріогенних систем, їх теж необхідно специфікувати. Таким чином, до впровадження надпровідності в електроенергетику потрібно створити цілу систему стандартів: вони повинні гарантувати високу надійність усієї надпровідної продукції (рис. 2).
робиться
заходів
в цьому напрямку. Сім груп фахівців із чотирьох європейських країн об'єднано у спільний проект Q-SECRETS (він субсидується ЄС) з моніторингу якості
надпровідників
ефективних,
компактних
високонадійних
електропередачі.
Одна з основних цілей проекту – допомога у створенні
розширення
«надпровідного»
на ринку передачі та розподілу електроенергії. В
висновок
відзначити,
незважаючи
на великі
потенційні
можливості
застосування високотемпературних
надпровідників
електроенергетиці, знадобляться значні зусилля дослідників і розробників, щоб зробити надпровідну продукцію життєздатною в умовах сучасної ринкової економіки. Водночас оцінки на майбутнє дають привід для оптимізму.
У 1986 р. І. Г. Беднорцем та К. А. Мюллером були відкриті високотемпературні надпровідники (ВТСП). Критична температура ВТСП лежить, зазвичай, вище температури кипіння азоту (77 До). Основою цих сполук є оксиди міді, і тому вони часто називаються купратами або металооксидами. У 1987 р. на кераміці YBa 2 Cu 3 O 7 була досягнута температура надпровідного переходу 92 К; потім вона була піднята до 125 К у з'єднаннях талію. Найбільша критична температура, досягнута за 10 років досліджень ВТСП (145 К), належить сполукам на основі ртуті. Зараз відомо більше двох десятків ВТСП з'єднань - купратів різних металів, вони називаються відповідно основним металам: іттрієвими (наприклад, YBa 2 Cu 3 O 7- x , Tс~90К), вісмутовими (Вi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 , Tс~95 K), талієвими (Тl 2 BaCaCu 2 O 8 , Tс~110 K), ртутними (HgBa 2 CaCu 2 O 6 Tc~125 K).
До складу оксидних надпровідників входить зазвичай 4-5 різних сортів атомів, а в елементарний кристалографічний осередок до 20 атомів. Практично всі ВТСП мають шарувату структуру з площинами з атомів Сu і О. Число проміжних мідних шарів може бути різним, синтезовані сполуки, в яких число СuO 2 шарів досягає 5. Істотну роль у механізмі надпровідності грає наявність кисню. Результати численних експериментів показують, що площини з киснем є основним об'єктом у кристалографічних ґратах, які відповідальні як за провідність цих оксидних сполук, так і за виникнення в них надпровідності при високих температурах.
ВТСП є типовими представниками надпровідників ІІ роду з дуже великим ставленням лондонівської довжини до довжини когерентності – близько кількох сотень. Тому магнітне поле H c 2 має дуже високе значення, зокрема у Вi 2212 воно становить приблизно 400 Тл, а H c 1 і декільком сотням ерстед (залежно від орієнтації поля щодо кристала).
Для більшості ВТСП характерна сильна анізотропія, що призводить, зокрема, до вельми незвичайного характеру залежності магнітного моменту цих речовин від величини поля у разі, якщо воно нахилене до основних кристалографічних осей. Суть ефекту полягає в тому, що внаслідок значної анізотропії вихровим лініям спочатку енергетично вигідніше розташовуватися між шарами СіО 2 і потім, після деякого значення поля, починати пронизувати ці площини.
Техніка експерименту Вимірювання магнітних властивостей та Тк надпровідників
Техніка, яка використовується для вимірювання магнітних характеристик надпровідників, принципово не відрізняється від техніки для подібних вимірювань звичайних магнітних речовин, таких як феромагнетики, за винятком того, що вона повинна бути придатна для роботи при дуже низьких температурах. Експериментальні методи можна розділити на дві групи: ті, у яких магнітний потік Ввимірюється у зразку, і ті, в яких вимірюється намагніченість зразка I(Фіг. 23). Кожен з цих методів забезпечує отримання повної інформації про магнітні властивості зразка, але, з огляду на обставини, можна вибрати той чи інший. Для магнітних вимірювань застосовується різноманітна апаратура з різним ступенем складності залежно від чутливості, ступеня автоматизації тощо. Однак у основі цієї техніки лежать прості методи, одному з них ми зараз зупинимося.
ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНІ СВЕРХПРОВІДНИКИ (ВТСП), надпровідні з'єднання, що мають рекордно високі критичні температури Т з переходу в надпровідний стан. Високотемпературна надпровідність виявлена в 1986 році Й. Г. Беднорцем та К. А. Мюллером у металооксидних кераміках на основі Ba-La-Cu-О при температурах 30-35 К. Критичні температури багатьох ВТСП виявилися вищими за температуру зрідження азоту (77 К). Так, у купратних з'єднаннях, що містять ітрій або вісмут (наприклад, YBa 2 Cu 3 0 7- δ і Bi 2 Sr 2 CaCu 2 0 8+ δ), Т з ≈ 90 К, а ВТСП, що містять ртуть, Т з перевищують 130 К. Можливість використання рідкого азоту замість рідкого гелію значно здешевлює застосування надпровідних матеріалів у практичних цілях.
Купратні надпровідники мають досить складну шаруватий кристалічну структуру, в якій основну для надпровідності роль грають кристалографічні площини CuO 2 . Хвильова функція куперовской пари в ВТСП (дивись Бардіна - Купера - Шриффера модель) залежить від напряму імпульсу складових пару електронів. При зміні напряму імпульсу на 90° у площині CuO 2 хвильова функція куперовской пари змінює знак. Ця властивість нагадує поведінку хвильових функцій електронів у d-оболонках атома. За аналогією високотемпературну надпровідність характеризують як надпровідність з d-спарюванням.
Надпровідний стан виникає, наприклад, у з'єднаннях La 2- x Sr x CuO 4 які утворюються при додаванні стронцію в антиферомагнітний діелектрик La 2 CuO 4 . Заміщення невеликої частини лантану стронцієм призводить до збільшення концентрації дірок у мідно-оксидних шарах. В результаті такого допування антиферомагнітний стан La 2-x Sr x CuO 4 руйнується при х ≈ 0,02, а в інтервалі х = 0,05÷0,27 це з'єднання стає надпровідником. Критична температура дуже чутлива до величини х і досягає максимального значення (близько 34 К) при ході ≈ 0,15÷0,17 (оптимальне допування). При х< х од высокотемпературные сверхпроводники называют недодопированными, а при х >х од - Передоповані. Аналогічна поведінка показують і інші ВТСП, хоча характерні значення х і Т для них можуть відрізнятися від наведених вище. Дослідження ВТСП (в широкому сенсі) включають вивчення цих сполук у всьому діапазоні х і Т, зокрема, і в тій області їх значень, де надпровідність відсутня.
До початку 21 століття ВТСП не знайшли широкого застосування, хоча вони вже використовуються в НВЧ-техніці (фільтри, мультиплексори, лінії затримки, резонатори), в електротехніці та електроенергетиці (кабелі для передачі електроенергії, генератори, трансформатори), в мікроелектроніці, обчислювальній техніці, телекомунікаційних технологій та інших областях. Головним завданням щодо застосування ВТСП є подальше підвищення їх критичної температури - створення матеріалів, Т з яких лежала в області кімнатних температур.
Літ.: Koelle D. а. острів High-transition-temperature superconducting quantum interference devices // Reviews of Modern Physics. 1999. Vol. 71. №3; Tsuei С. С., Kirtley J.R. Pairing symmetry in cuprate superconductors // Ibid. 2000. Vol. 72. №4.
Сьогодні побачив цей коментар та обговорення під ним. Зважаючи на те, що сьогодні ж я був на виробництві надпровідних кабелів, хотів вставити пару зауважень, але read-only… У результаті вирішив написати невелику статтю про високотемпературні надпровідники.
Спочатку, про всяк випадок, хочеться відзначити, що термін «високотемпературний надпровідник» означає надпровідники з критичної температурою вище 77 К (-196 °C) - температури кипіння дешевого рідкого азоту. Не рідко до них відносять і надпровідники із критичною температурою близько 35 К, т.к. таку температуру мав перший надпровідний купрат La 2-x Ba x CuO 4 (речовина змінного складу, звідси і x). Тобто. «високі» температури тут ще дуже низькі.
Основне поширення набуло два високотемпературні надпровідники - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) та Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Також застосовуються схожі з YBCO матеріали, в яких ітрій замінений іншим рідкісноземельним елементом, наприклад гадолінієм, їх загальне позначення - ReBCO.
Випущені YBCO, та й інші ReBCO мають критичну температуру на рівні 90-95 К. Випускаються BSCCO досягають критичної температури в 108 До.
Крім високої критичної температури, ReBCO та BSCCO відрізняються великими значеннями критичного магнітного поля (у рідкому гелії – понад 100 Тл) та критичного струму. Втім, з останнім все не так просто.
У надпровіднику електрони рухаються незалежно, а парами (Куперовскими парами). Якщо ми хочемо, щоб струм перейшов з одного надпровідника до іншого, то зазор між ними повинен бути меншим за характерний розмір цієї пари. Для металів та сплавів цей розмір становить десятки, а то й сотні нанометрів. А ось у YBCO та BSCCO він становить лише пару нанометрів та частки нанометра, залежно від напрямку руху. Навіть зазори між готельними зернами полікристалу виявляються вже цілком відчутною перешкодою, не кажучи вже про проміжок між окремими шматками надпровідника. В результаті надпровідна кераміка, якщо не робити спеціальних хитрощів, здатна пропускати через себе лише відносно невеликий струм.
Найпростіше проблему виявилося вирішити в BSCCO: його зерна природним чином мають рівні краї, а найпростіше механічне стиск дозволяє ці зерна впорядкувати для отримання високого значення критичного струму. Це дозволило досить швидко і просто створити перше покоління високотемпературних надпровідних кабелів, а точніше високотемпературних надпровідних стрічок. Вони є срібною матрицею, в якій є безліч тонких трубочок, заповнених BSCCO. Цю матрицю розплющують, при цьому зерна надпровідника набувають потрібного порядку. Отримуємо тонку гнучку стрічку, що містить безліч окремих плоских надпровідних жил.
На жаль, BSCCO матеріал далеко не ідеальний: у нього критичний струм дуже швидко падає із зростанням зовнішнього магнітного поля. Критичне магнітне поле в нього досить велике, але задовго до досягнення цієї межі він втрачає здатність пропускати скільки-небудь великі струми. Це дуже обмежувало застосування високотемпературних надпровідних стрічок, замінити старі добрі сплави ніобій-титан і ніобій-олово, що працюють у рідкому гелії, вони не могли.
Зовсім інша справа – ReBCO. Але створити в ньому правильну орієнтацію насіння дуже важко. Лише відносно недавно навчилися робити надпровідні стрічки на основі цього матеріалу. Такі стрічки, звані другим поколінням, отримують напиленням надпровідного матеріалу на підкладку, що має спеціальну текстуру, що задає напрямок зростання кристалів. Текстура, як не складно здогадатися, має розміри нанометрові, так що це справжні нанотехнології. У московській компанії «СуперОкс», в якій я власне і був, для отримання такої структури на металеву підкладку напилюють п'ять проміжних шарів, один з яких одночасно з напиленням розпорошується потоком швидких іонів, що падають під певним кутом. В результаті кристали цього шару ростуть тільки в одному напрямку, в якому іони найскладніше їх розпорошувати. Інші виробники, а їх у світі чотири, можуть використати інші технології. До речі, вітчизняні стрічки використовують гадоліній замість ітрію, він виявився технологічнішим.
Надпровідні стрічки другого покоління шириною 12 мм і товщиною 0,1 мм у рідкому азоті за відсутності зовнішнього магнітного поля пропускають струм до 500 А. У зовнішньому магнітному полі 1 Тл критичний струм досі доходить до 100 А, а при 5 Тл - до 5 А Якщо охолодити стрічку до температури рідкого водню (ніобієві сплави за такої температури ще навіть не переходять у надпровідний стан), то та ж стрічка зможе пропустити 500 А в полі 8 Тл, а «які-небудь» 200-300 А - в полі на рівні пари десятків тесла (жаба літає). Про рідкий гелій годі й казати: є проекти магнітів на цих стрічках з полем на рівні 100 Тл! Правда тут вже на повне зростання виникає проблема механічної міцності: магнітне поле завжди прагне розірвати електромагніт, але коли це поле досягає десятків тісла, його прагнення легко реалізуються.
Втім, всі ці чудові технології не вирішують проблеми з'єднання двох шматків надпровідника: хоч кристали і орієнтовані в одному напрямку, про полірування зовнішньої поверхні до субнанометрового розміру шорсткості не йдеться. Корейці мають технологію спікання окремих стрічок один з одним, але вона ще далека від досконалості. Зазвичай стрічки з'єднують один з одним звичайним паянням звичайним олов'яно-свинцевим припоєм або іншим класичним способом. Зрозуміло, при цьому на контакті з'являється кінцевий опір, так що створити з таких стрічок надпровідний магніт, що не вимагає харчування протягом багатьох років, та й просто ЛЕП з точно нульовими втратами не виходить. Але опір контакту становить малі частки мікроома, отже навіть за 500 А струмі там виділяються лише частки милливатта.
Зрозуміло, у науково-популярній статті читач шукає більш видовищності… Ось кілька відео моїх експериментів із високотемпературною надпровідною стрічкою другого покоління:
Останнє відео записав під враженням від коментаря на YouTube, в якому автор доводив, що надпровідності не існує, а левітація магніту – цілком самостійний ефект, пропонував усім охочим переконатися у його правоті, вимірявши безпосередньо опір. Як бачимо, надпровідність таки існує.
