Сьогодні побачив цей коментар та обговорення під ним. З огляду 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.
Випускаються YBCO, та й інші ReBCO, мають критичну температуру на рівні 90-95 К. Випускаються BSCCO досягають критичної температури 108 К.

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.

Вступ

Дослідженням низькотемпературних фазових переходів до флуктуаційного (ФП) та псевдощілинного (ПЩ) режимів у ВТСП з'єднаннях, які спостерігаються в нормальному стані при температурах поблизу та значно вищі за критичну (Т) з ) в даний час приділяється дуже велика увага. Відповідно до сучасних уявлень вважається, що саме ці фізичні явища можуть бути ключем до розуміння природи ВТСП. На даний час у літературних джерелах інтенсивно обговорюються два основні сценарії виникнення псевдощілинної аномалії у ВТСП-системах. Згідно з першим, виникнення ПЩ пов'язане з флуктуаціями ближнього порядку «діелектричного» типу, наприклад, антиферомагнітними флуктуаціями, хвилями зарядової та спинової щільності тощо. з з подальшим встановленням їх фазової когерентності при Т< Tc . Серед теоретичних робіт, які відстоюють другий погляд, слід зазначити теорію кросовера від механізму БКШ до механізму бозе-ейнштейнівської конденсації. При досить високій точності вимірювань значення псевдощілини в широкому інтервалі температур можна визначити із залежностей ?ab (Т) (електроопір у базовій площині) при температурах нижче деякого характерного значення Т * (температури відкриття псевдощілини).

Найперспективнішими для вивчення в цьому аспекті є сполуки Y 1Ba 2Cu 3O 7-?що обумовлено можливістю широкого варіювання їх складу шляхом заміни ітрію його ізоелектронними аналогами або зміни ступеня кисневої нестехіометрії. Особливий інтерес представляє часткова заміна Y на Pr, яка, з одного боку, призводить до придушення надпровідності (на відміну від випадків заміни Y на інші рідкісні елементи), а з іншого - дозволяє зберігати практично незмінними параметри решітки та кисневий індекс ?..У цій роботі було досліджено вплив малих (до z?0.05) домішок Pr на режим ПЩ у монокристалах Y 1-z Pr z Ba 2Cu 3O 7-?з високою критичною температурою (T c ) та системою односпрямованих ДГ при орієнтації вектора транспортного струму I?ДГ, коли вплив двійників на процеси розсіювання носіїв мінімальний. Слід зазначити, що валентність празеодима (+4) відрізняється від валентності ітрію (+3), що може в кінцевому підсумку впливати на концентрацію дірок у з'єднанні Y 1-z Pr z Ba 2Cu 3O 7-?та критичні параметри при легуванні.

1. Літературний огляд

1 Високотемпературні надпровідники(ВТСП)

1.1 Визначення ВТСП

Високотемпературні надпровідники (високі T c ) - сімейство матеріалів (надпровідних керамік) із загальною структурною особливістю, яку можна охарактеризувати відносно добре виділеними мідно-кисневими площинами. Їх також називають надпровідниками на основі купратів. Температура надпровідного переходу, яка може бути досягнута в деяких складах у цьому сімействі, є найвищою серед усіх відомих надпровідників. Нормальний (і надпровідний) стан виявляє багато загальних особливостейдля купратів із різними складами; багато хто з цих властивостей не можуть бути пояснені в рамках теорії БКШ. Хоча єдиної і послідовної теорії надпровідності в купратах нині немає; однак, дана проблема призвела до появи багатьох важливих експериментальних та теоретичних результатів, і інтерес до цієї області зосереджений не лише на досягненні надпровідності за кімнатної температури. За експериментальне відкриття першого високотемпературного надпровідника в 1987 році було негайно присуджено Нобелівську премію.

1.2 Структура

). Усі основні ВТСП-системи мають шарувату структуру. На рис. 1.1 наведено для прикладу структура елементарного осередку ВТСП-з'єднання YBa 2Cu 3O 7. Привертає увагу дуже велика величина параметра решітки в напрямку осі «с». Для YBa 2Cu 3O7 с= 11.7Å.

Рис. 1.1 Структура елементарного осередку ВТСП-з'єднання YBa 2Cu 3O 7

). Спостерігається значна анізотропія багатьох властивостей таких сполук. Як правило з'єднання з великими n - метали (хоч і погані) у площині «ab», і виявляють напівпровідникову поведінку в третьому напрямку, вздовж осі «с». Але при цьому вони є надпровідниками.

). У деяких ВТСП-системах спостерігається надструктурна модуляція ґрат, наприклад, у системі Bi 2Sr 2Ca n-1 Cu n O ?. Є певна кореляція Т c із періодом цієї модуляції.

). Ще більш незвичайні структурні утворення, що спостерігалися в

ВТСП-системи, так звані «страйпи». «Страйпи» є надструктурною модуляцією зарядової щільності. Їхній період становить кілька ангстрем. Як правило, це динамічні утворення і вони проявляються у зміні деяких властивостей ВТСП. Однак при введенні домішок вони можуть «запінінгуватися» на цих дефектах і спостерігатимуться у статиці.

1.3 Температурна залежність опору R(T)

Багато купратних ВТСП R(T) залежить практично лінійно від температури Т . Приклад для YBa 2Cu 3O 7 наведено на рис. 1.2. Цей опір змінено у площині ab . Дивно, що в чистих зразках екстраполяція цієї залежності в область низьких температур поводиться так, начебто залишковий опір зовсім відсутній. У ряді інших ВТСП, з меншими Т c , де вдається придушити надпровідність магнітним полем, залежність R(T) лінійна до дуже низьких температур. Така лінійна залежність спостерігається у дуже широкій області температур: від ~10 -3до 600К (при більш високих температурах починає змінюватися концентрація кисню). Це зовсім незвичайна поведінка металу. Для пояснення залучалися роздічні моделі (нефононний механізм розсіювання носіїв, зміна концентрації електронів з Т та ін.). Однак ця проблема ще не вирішена до кінця.

На рис. 1.3 показано температурну залежність опору для ВТСП-з'єднання YBa 2Cu 3O 7 вздовж осі "с". Хід напівпровідниковий, а спостерігається величина опору приблизно 1000 разів більше.

Рис. 1.2 Температурна залежність опору YBa 2Cu 3O 7 у площині «ab»

Рис.1.3 Температурна залежність опору YBa 2Cu 3O 7 вздовж осі «с»

2 Псевдощель та фазова діаграма

2.1 Псевдощель

Ще одне унікальне явище, яке виявляється тільки у ВТСП, ? псевдощілину? *. За деякої температури Т*>T c щільність станів на поверхні Фермі перерозподіляється: на частині поверхні щільність станів зменшується. Нижче за температуру Т* з'єднання існує в дещо незвичайному «нормальному» стані - стані з псевдощілиною. Величина Т* за низького рівня легування може досягати значень 300-600К щодо різних ВТСП-систем, тобто. сильно перевершувати Т c . У сфері слабкого легування Т* падає зі зростанням рівня легування, тоді як Тс зростає.

Псевдощеля проявляється при вимірах тунелювання, фотоемісії, теплоємності та інших властивостей ВТСП. У той же час провідність зразка при Т 2Cu 3O 7-?та BiSrCaCuO. Незважаючи на великий розкид експериментальних точок, видно, що? може бути набагато більше? і досягати 80-100меВ.

Рис. 1.4 Залежність псевдощілини? * від концентрації дірок для ВТСП-систем YBa 2Cu 3O 7-? та BiSrCaCuO. Величина псевдощілини визначалася за вимірюваннями тунелювання (квадрати), теплоємності (точки) та методом ARPES (ромби). Пунктирна лінія? (p) = 5kTc (p)

Для пояснення псевдощілинного стану було запропоновано три основні моделі [5]:

). Флуктуації фази параметра порядку мають таку велику амплітуду, що знижують температуру переходу в СП стан від Т * до Т c . При цьому куперівські пари електронів при Т>T c існують, але "флуктуаційно".

). При Т* утворюються стабільні пари електронів (як у звичайних надпровідниках), проте вони не когерентні, тому їхня бозе-конденсація не настає аж до Т=Т c . Бозе-конденсація (утворення когерентного стану) відбувається за Тc .

Обидва сценарії мають право існування, оскільки довжина когерентності («розмір пари») у ВТСП дуже мала. Проте ціла низка експериментів суперечить цьому сценарію і вказує на незалежність?* і надпровідну щілину?. Наприклад, у з'єднанні Bi 2Sr 2CuO 6обидві щілини співіснують до дуже низьких температур.

Відомо і таке твердження, яке суперечить даній моделі, в якій? є провісником?: в магнітному полі??0, У той час як? від поля залежить слабо. Звідси робиться висновок про різну природу? * І?. У роботі псевдощілина?* спостерігалася в корі вихорів. Це на думку авторів – аргумент на користь різної природи? і?*. Цей висновок вважають дуже переконливим, т.к. магнітному полю складніше придушити окремі пари, ніж конденсат загалом.

). Антиферомагнітне впорядкування призводить до утворення «магнітної» зони Бріллюена зі зменшеним періодом у k – просторі. Це, у свою чергу, приводить при температурі Т* до утворення діелектричної щілини на поверхні Фермі (так званий нестинг) для деяких напрямків у кристалі.

Єдиної думки досі немає. Можливо, що псевдощілинний стан - це стан, у якому утворюється і діелектрична щілина в деяких напрямках і водночас виникають некогерентні пари електронів (дірок).

2.2 Фазова діаграма

Варіанти типової фазової діаграми ВТСП-купратів показано на рис. 1.5. Залежно від концентрації носіїв струму (як правило, дірок) у високопровідній площині CuO 2спостерігається цілий ряд фаз та областей з аномальними фізичними властивостями. В області малих концентрацій дірок усі відомі ВТСП-купрати є антиферомагнітними діелектриками. З підвищенням концентрації носіїв струму температура Нееля T N швидко падає від величин близько кількох сотень градусів Кельвіна, звертаючись у нуль при концентрації дірок p менше або близько 0,05 і система стає (поганим) металом. При подальшому зростанні концентрації дірок система стає надпровідником, причому температура надпровідного переходу зростає зі збільшенням концентрації носіїв, проходячи через характерний максимум при p 0~0,15-0,17 (оптимальне допування), а потім зменшується і зникає при p~0,25-0,30, хоча в цій (передопованої) області металева поведінка зберігається. При цьому в області p>p 0металеві властивості досить традиційні (фермі-рідинна поведінка), тоді як при p 0система є аномальним металом, що не описується, на думку більшості авторів, теорією фермі-рідини.

Аномалії фізичних властивостей, що зв'язуються в даний час з утворенням псевдощілинного стану, спостерігаються у металевій фазі при p 0та температурах T *, де T *зменшується від температур порядку T N при p~0,05, звертаючись у нуль при деякій критичної концентрації носіїв p c , злегка перевищує p 0(Рис. 1.5а). Наприклад, згідно з цим відбувається при p=p c ?0,19. На думку ряду авторів (переважно прихильників надпровідної природи псевдощілини) T *зливається з кривою, що обмежує область надпровідного стану T c поблизу оптимальної концентрації p 0(Рис. 1.5б). Однак більшість нових експериментальних даних, швидше за все, підтверджують варіант фазової діаграми, показаний на рис. 1.5а. Потрібно наголосити, що величина T *, на думку більшості дослідників, немає сенсу температури будь-якого фазового переходу, а просто задає характерний масштаб температури, нижче якої у системі виникають псевдощілинні аномалії. Будь-які особливості термодинамічних величин, характерні для фазових переходів у цій галузі фазової діаграми просто відсутні. Загальне твердження полягає в тому, що всі ці аномалії, найпростішою мовою, пов'язані з придушенням (в даній області) щільності станів одночасткових збуджень поблизу рівня Фермі, що відповідає загальній концепції псевдощілини. При цьому величина T *просто пропорційна енергетичній ширині псевдощілини. Іноді виділяють ще один характерний масштаб температури T *2, як показано на рис. 1.5б, який пов'язують із переходом від режиму слабкою псевдощілини до режиму сильною псевдощілини , ґрунтуючись на деякій зміні характеру спинового відгуку системи на околиці цієї температури .

надпровідник псевдощілина електроопір

Рис. 1.5 Варіанти фазової діаграми ВТСП-купратів

3 Теоретичні моделі псевдощілинного стану

Повернемося до фазової діаграми, представленої на рис. 1.5 і звернемо особливу увагу на лінію, позначену як T *. Вже давно було помічено, що властивості нормальної металевої фази для недодопірованих і передопованих купрат сильно відрізняються. В останньому випадку металева фаза досить добре описується картиною фермі-рідини: є добре певна поверхня Фермі і згасання квазічастиць прагне нуля при наближенні до неї. У разі недодопірованих систем за досить низьких температур (T *) спостерігаються аномалії всіх електронних властивостей системи. Зміна властивостей при перетині лінії T *не носить різкого характеру і не є фазовим переходом, а є кросовером від звичайного фермі-рідинного стану до псевдощілинного стану. Саме поняття псевдощілинного стану означає насамперед зниження густини станів на поверхні Фермі. Про це свідчить, зокрема, дуже помітне зменшення лінійного коефіцієнта ? в електронній теплоємності та пауліївській магнітній сприйнятливості ?0при переході через лінію T *і особливо дані тунельних експериментів та фотоемісійної спектроскопії з кутовим дозволом (angle-resolved PES-ARPES).

Метод ARPES дозволяє безпосередньо вимірювати спектральну щільність квазічастинок на околиці поверхні Фермі та відновлювати саму поверхню Фермі. Виявилося, що у всіх досліджених класах ВТСП-купратів спостерігається характерне явище: руйнування частини поверхні Фермі вздовж напрямків (0,k y ) та (0,k x ) зони Бріллюена, тоді як у діагональних напрямках (k x , k y ) поверхня Фермі зберігається у звичайному сенсі: при переході через неї інтенсивність ARPES-спектру різко падає. У напрямках(0,k y ) та (k x ,0) Зміна щільності A(k, ?) відбувається на широкому інтервалі, причому при фіксованому квазіімпульсі щільність A(k, ?) має двогорбу структуру з мінімумом на колишньої поверхні Фермі, яка існувала б без псевдощілинного стану, наприклад, при T>T*. Детальне обговорення цього явища міститься у досить докладних оглядах Садовського. Таким чином, у ВТСП-купратах поверхня Фермі має арочний характер, тобто. зберігається лише на дугах, що примикають до діагональних напрямків зони Бріллюена.

Розглянемо динамічну магнітну сприйнятливість для металевої системи, що перебуває у стані, близькому до антиферомагнітного впорядкування.

(1.1)

тут Q=(± ?, ?) - хвильовий вектор антиферомагнітної структури в діелектричній фазі, ?s -характерна частота флуктуацій, ?-кореляційна довжина спінових флуктуацій. Взаємодія електронів із спіновими флуктуаціями пропорційно ?(q, ?), тому має різко зростати для тих електронів на поверхні Фермі, хвильові вектори яких близькі до меж магнітної зони Бріллюена, або для електронів, розташованих на плоских ділянках поверхні Фермі (якщо вони існують), розділених вектором Q. Так виникають дві моделі, в яких буде виявлятися псевдощілинний стан: модель гарячих точок та модель гарячих ділянок поблизу поверхні Фермі. Недодоповані системи знаходяться поблизу половинного заповнення зони, так що незбурена зонними кореляціями поверхня Фермі лежить поблизу магнітної зони Бріллюена і для неї можлива реалізація однієї з запропонованих моделей.

Поблизу гарячих точок області k-простору шириною ?-1електрони сильно розсіюються зі зміною імпульсу на вектор Q, що призводить до відкриття псевдощілини в околиці цих точок, подібно до того, як на всій поверхні Фермі виникає щілина, обумовлена ​​виникненням антиферомагнітної фази, якщо затравальна поверхня Фермі має нестинг (nesting). Якщо знехтувати динамікою спінових флуктуацій і вважати статичні флуктуації гаусовими, то в одновимірному випадку задача про взаємодію електронів з такими флуктуаціями може бути вирішена точно, і її рішення можна використовувати для якісного дослідження ситуації у двовимірному випадку. Результати розрахунків вказують на псевдощілинний характер електронних станів на гарячих ділянках фермі-поверхні, відбиваючи, зокрема, двогорбу структуру спектральної щільності станів.

Рис. 1.6. (а). Повіхість Фермі в зоні Бріллюена та модель гарячих точок . Штриховими лініями показані межі магнітної зони Брілюена, що виникає при подвоєнні періоду, пов'язаному з появою антиферомагнетизму. Гарячі точки-точки перетину поверхні Фермі з межами магнітної зони.

(Б). Поверность Фермі у моделі гарячих ділянок (показані жирними лініями), ширина яких ~ ?-1. Кут ?визначає розмір гарячого ділянки , ?=?/4 відповідає квадратній поверхні Фермі

1.4 Методи отримання високотемпературних надпровідників

Методи отримання зразків високотемпературних надпровідників визначаються насамперед тими завданнями, які ставлять перед собою дослідники та фірми, що використовують ВТСП матеріали в комерційних цілях. Так виготовлення масивних виробів з ВТСП матеріалів потрібна розробка методів отримання великих кількостей ВТСП матеріалу в полікристалічному стані. Для цілей НВЧ електроніки потрібна розробка методів отримання епітаксійних плівок із високими критичними параметрами. Для фундаментальних досліджень природи ВТСП, безумовно, необхідні методи отримання досконалих (а у випадку системи YBa 2Cu 3O 7-?та бездвійникових) монокристалів ВТСП.

Велике значення для отримання ВТСП зразків з високими критичними властивостями має виготовлення якісних прекурсорних порошків. Серед методів одержання таких порошків з'єднання YBa 2Cu 3O 7-?(далі YBCO) назвемо наступні: стандартна реакція твердих фаз та хімічне осадження, плазмовий спрей, висушування в рідкому азоті, висушування спрею та окисний синтез, метод золь-гелю, ацетатний метод та газофазна реакція. Стандартна процедура одержання надпровідних керамічних порошків включає декілька етапів. Спочатку вихідні матеріали змішуються у певному молярному відношенні за допомогою відповідного процесу «перемішування-розмелювання» або рідкофазного змішування. При цьому однорідність суміші обмежується розмірами частинок, і найкращі результати досягаються частинок з розмірами меншими 1 мкм. У ультратонких порошках (з розмірами частинок набагато меншими 1 мкм) часто спостерігається сегрегація частинок, що погіршує їхнє перемішування. Ця проблема може бути мінімізована при використанні рідкофазного змішування, що забезпечує контроль композиції та хімічну однорідність. Крім того, ця технологія ліквідує забруднюючий вплив середовища при розмелюванні та перемішуванні порошків. У багатокомпонентних середовищах, таких як ВТСП процес змішування грає ключову роль в отриманні високої фазової чистоти. Високоякісна суміш забезпечує прискорення реакцій. Таким порошкам при кальцинації потрібні менші температури та час для досягнення бажаної фазової чистоти. Наступним кроком є ​​висушування або видалення розчинника, що необхідне збереження хімічної однорідності, досягнутої у процесі змішування. Для багатокомпонентних (ВТСП) систем видалення розчинника при повільному випаровуванні може призвести до дуже неоднорідного осаду внаслідок різної розчинності компонентів. Для мінімізації цієї проблеми використовуються різні технології, що включають, зокрема, процеси сублімації, фільтрації та ін. Після висушування порошки піддаються кальцинації в контрольованій атмосфері для досягнення кінцевої структурної та фазової композиції. Режим реакцій для YBCO-системи визначається технологічними параметрами, такими як: температура та час кальцинації, швидкість нагрівання, атмосфера (парціальний тиск кисню) та вихідні фази. Порошки можуть бути безпосередньо синтезовані з розчину за допомогою технології піролізу або отримані електроосадження за допомогою пропускання струму через розчин. При цьому навіть невеликі флуктуації композиції можуть призвести до формування нормальних фаз, таких як: Y 2BaCuO 5, CuO та BaCuO 2. Використання вуглецевмісних прекурсорів також ускладнює формування фази YBa 2Cu 3O 7-?і призводить до зниження надпровідних властивостей. У свою чергу, порошок для отримання надпровідних плівок складу Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-O (далі BSCCO) може бути виготовлений за допомогою твердофазної реакції, співосадження, піролізу аерозоль-спрею, технології випалу, висушування заморожуванням, методу рідкого змішування , мікроемульсії або методу золь-гелю Стандартними підходами для отримання надпровідних прекурсорних порошків, що використовуються при виготовленні BSCCO-стрічок та проводів, є так звані методи синтезу «одного порошку» та «двох порошків». У першому випадку прекурсор виходить у результаті кальцинації суміші оксидів та карбонатів. У другому – проводиться випал суміші двох купратних з'єднань. Дотримання цих умов дозволяє отримати полікристалічні зразки досить великих розмірів (наприклад, для безконтактного магнітів електромагнітного підвісу транспортних систем).

Що стосується синтезу ВТСП-плівок (як YBCO, так і інших систем), то в загальному випадку застосовуються одно-(in situ) та двостадійні (ex situ) методи. У першому випадку кристалізація плівок відбувається безпосередньо в процесі їх напилення і за відповідних умов здійснюється їх епітаксійне зростання. У другому випадку плівки спочатку напиляються при невеликій температурі, недостатній для формування необхідної кристалічної структури, а потім вони обпалюються в атмосфері O 2при температурі, що забезпечує кристалізацію необхідної фази (наприклад, для плівок YBCO це температура 900-950 0З). Більшість одноетапних методів реалізується за температур значно нижчих, ніж ті, які потрібні для отримання плівок у дві стадії. Високотемпературний випалювання формує великі кристаліти та шорстку поверхню, що визначають низьку щільність критичного струму. Тому, спочатку, in situ методи мають перевагу. За способами отримання та доставки на підкладку компонентів ВТСП розрізняють фізичні методи напилення, що включають всілякі випари та напилення, а також хімічні методи осадження.

Методи вакуумного співвипаровування (methods of vacuum co-evaporation) мають на увазі одночасне або послідовне (шар за шаром) співосадження компонентів ВТСП, що випаровуються з різних джерел за допомогою, наприклад, електронно-променевих гармат або резистивних випарників. Плівки, що одержуються за такою технологією, поступаються за своїми надпровідними властивостями зразками, що виготовляються методами лазерного або магнетронного напилення. Методи вакуумного соиспарения застосовуються при двостадійному синтезі, коли немає принципового значення структура плівок, напыляемых першому етапі, і вміст них кисню.

Лазерне випаровування (laser evaporation) є високоефективним при напиленні ВТСП-плівок. Цей метод простий у реалізації, має високу швидкість напилення та дозволяє працювати з невеликими мішенями. Його головною перевагою є однаково хороше випаровування всіх хімічних елементів, які у мішені. При випаровуванні мішеней за певних умов можна отримати плівки такого складу, як і самі мішені. Важливими технологічними параметрами є відстань від мішені до підкладки, а також тиск кисню. Їх правильний вибір дозволяє, з одного боку, не допустити перегрів плівки, що росте, енергією плазми, випарованої лазером, і відповідне утворення занадто великих зерен, а з іншого - встановити енергетичний режим, необхідний для зростання плівки при можливо нижчих температурах підкладки. Висока енергія компонентів, що напиляються, і присутність в лазерному факелі атомарного та іонізованого кисню дозволяють виготовляти ВТСП-плівки в одну стадію. При цьому виходять монокристалічні або високотекстуровані плівки з вісною орієнтацією (вісь з перпендикулярною площині підкладки). Основними недоліками лазерного випаровування є: (а) малі розміри області, де можна напилити стехіометричні за складом плівки; (б) неоднорідність їх товщини та (в) шорсткість поверхні. Внаслідок сильної анізотропії ВТСП хороші транспортні та екрануючі властивості мають тільки плівки з вісною орієнтацією. У той же час, плівки з а-вісною орієнтацією (вісь а розташовується в площині підкладки ab), що мають велику довжину когерентності в напрямку, перпендикулярному поверхні, і відрізняються високою гладкістю, зручні для виготовлення якісних ВТСП джозефсонівських переходів, що складаються з послідовно напилених шарів ВТСП – нормальний метал» (або «діелектрик – ВТСП»). Плівки зі змішаною орієнтацією небажані в усіх відношеннях.

Магнетронне розпилення (magnetron scattering) дозволяє в один етап отримати плівки YBCO, що не поступаються за своїми надпровідними властивостями зразкам, вирощеним методом лазерного випаровування. При цьому вони мають більш однорідну товщину та більш високу гладкість поверхні. Як і при лазерному випаровуванні, утворення плазми при магнетронному розпиленні породжує високоенергетичні атоми та іони, що дозволяють одностадійне отримання ВТСП-плівок за невисоких температур. Тут також важлива відстань «мішень - підкладка». При близькому розташуванні мішені від підкладки і недостатньому тиску середовища, підкладка піддається інтенсивному бомбардування негативними іонами кисню, що руйнують структуру плівки, що росте, і її стехіометрію. Для вирішення цієї проблеми використовується ряд підходів, що включають захист підкладки від бомбардування високоенергетичними іонами та її розташування на оптимальній відстані від газорозрядної плазми для забезпечення високої швидкості напилення та успішного зростання плівки за максимально низьких температур. Отримані in situ тонкі YBCO-плівки, які були виготовлені методом позаосьового магнетронного розпилення та мали оптимальні електричні властивості, вже продемонстрували температуру надпровідного переходу та щільність критичного струму відповідно: T c = 92 К та J c = 7106А/см 2. Різновиди імпульсного лазерного напилення, що використовуються для отримання плівок та проводів YBCO з високою текстурою, що виготовляються на різних моно- та полікристалічних підкладках з підшарами і без них, дозволяють досягти щільності критичного струму J з = 2,4106А/см 2при температурі 77 К та нульовому магнітному полі.

Ці методи досить широко використовуються різними фірмами для виробництва НВЧ техніки, наприклад, резонаторів підсилювальних пристроїв, станцій стільникового телефонного зв'язку та наземних стаціонарних пристроїв супутникового зв'язку.

Сутністю методу хімічного осадження з парової фази металоорганічних сполук (chemical precipitation from vaporous phase of metal-organic combinations) є транспортування металевих компонентів у вигляді пар летючих металоорганічних сполук в реактор, змішування з газоподібним окислювачем, розкладання парів і конденсація оксидної плівки. Даний метод дозволяє отримати тонкі ВТСП-плівки, які можна порівняти за своїми характеристиками із зразками, виготовленими фізичними методами напилення. До порівняльних переваг даного методу перед останніми відносяться: (а) можливість нанесення однорідних плівок на деталі не планарної конфігурації та великої площі; (б) більш високі швидкості осадження за збереження високої якості; (в) гнучкість процесу на етапі налагодження технологічного режиму завдяки плавній зміні складу парової фази. Останній процес часто використовують для виробництва ВТСП плівок з високими критичними параметрами (порівняними з монокристалами) у випадках складної конфігурації плівок на виробах мікроелектронної комерційної продукції.

2. Експериментальна частина

1.1 Методика експерименту

Монокристали YBa 2Cu 3O 7-d для даної роботи вирощували за розчин-розплавною технологією. Для отримання кристалів із частковою заміною Y на Pr, Y 1-z Pr z Ba 2Cu 3O 7-?, до початкової шихти додавали Pr 5O 11у атомному співвідношенні Y:Pr=20:1. Режими вирощування та насичення киснем кристалів Y 1-z Pr z Ba 2Cu 3O 7-?були такими, як і для нелегованих монокристалів. Як початкові компоненти для вирощування кристалів використовували сполуки Y 2O 3, BaCO 3, CuО та Pr 5O 11, усі марки ОСЧ. Для резистивних досліджень відбирали тонкі кристали з проникаючими ДГ, які мали ділянки з односпрямованими ДГ розміром 0.5х0.5 мм. 2. Це дозволяло вирізати з таких монокристалів містки з однонаправленими ДГ шириною 0.2 мм та відстанню між потенційними контактами 0.3 мм. Електроопір в ab-площині вимірювали за стандартною 4-х контактною методикою при постійному струмі до 10 мА. Температуру зразка визначили мідь-константановою термопарою.

1.2 Експериментальне встановлення для вимірювання електроопору

Схема установки вимірювання температурної залежності електроопору наведено на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Схематичне зображення експериментальної установки з проточним кріостатом для вимірювання температурної залежності електроопору в інтервалі температур 77 - 300 К

Установка складається з транспортного азотного судини дьюара 1, мініатюрного проточного азотного кріостата 2, вимірювального штока 3, вакуумного насоса 2НВР - 5Д (6), вакууметра 5, вентиля тонкого регулювання швидкості хладоагенту 7, і універсального вимірювального комплексу. дозволяла за необхідності проводити вимірювання в магнітних полях до 4 кЕрст, з використанням електромагніту 4.

Вимір опору проводили на постійному струмі 1 мА при двох напрямках струму. Температуру вимірювали мідь-константановою термопарою. Напруга на зразку та на зразковому опорі вимірювали нановольтметрами В2-38. Дані з вольтметрів через інтерфейс автоматично передавали на комп'ютер.

Вимірювання проводили у режимі дрейфу температури. Дрейф температури становив близько 0.1 К/хв при вимірах поблизу Т з , та близько 5 К/хв при Т > Тс .

1.3 Результати експерименту та їх обговорення

Температурні залежності питомого електроопору в ab площині ?ab (T) кристалів YBaCuO (К1) та Y 1-z Pr z Ba 2Cu 3O 7-?(К2) показано на вставці до рис.2.3. Видно, що в обох випадках залежності є металевими, проте відношення ?ab (300К)/ ?ab (0K) різне і становить 40 і 22 для кристалів К1 і К2 відповідно. При цьому значення ?ab (0К) визначили інтерполяцією лінійної за температурою ділянки (пунктирна лінія) залежності ?ab (T). Питомий електроопір в ab-площині кристалів К1 і К2, при кімнатній температурі становив приблизно 155 і 255 мкОм см, а їх критичні температури - 91.7 і 85.8 К, відповідно. Використовуючи відомі літературні дані про залежність Т з від концентрації празеодима можна дійти невтішного висновку, що вміст Pr в кристалі К2 становить z?0,05. Ширина резистивних переходів кристала К1 менше 0,3 К, а кристала К2 – близько 2,5 К.

Як видно з вставки до рис.2.3, при зниженні температури нижче певного характерного значення Т * відбувається відхилення ?ab (Т) від лінійної залежності, що свідчить про появу деякої надмірної провідності, яка, як зазначалося вище, обумовлена ​​переходом до псевдощілинного режиму (ПЩ). Як видно з рис.2.3, для зразка з домішкою празеодима область лінійної залежності ?ab (Т) значно розширюється в порівнянні з безпримісним кристалом, а температура Т * зміщується в область низьких температур більш ніж на 30 К. Це, у свою чергу, свідчить про відповідне звуження температурного інтервалу існування надлишкової провідності.

Температурна залежність надмірної провідності зазвичай визначається з рівняння ??=?-?0, де ?0=?0-1=(А+ВТ) -1 - провідність, що визначається екстраполяцією лінійної ділянки в нульове значення температури, а ?=?-1 - експериментальне значення провідності у нормальному стані. Отримані експериментальні залежності ??(Т) представлені на рис. 2.3. Як показав аналіз, у досить широкому температурному інтервалі ці криві добре описуються експоненційною залежністю виду:

Рис. 2.3 Температурні залежності надмірної провідності ??(Т) монокристалів К1 та К2 - криві 1 і 2, відповідно. На вставці показані температурні залежності електроопору ?ab (T) цих зразків. Стрілки показують температури переходу в псевдощілинний режим Т*. Нумерація кривих на вставці відповідає нумерації малюнку.

??~exp(?*ab/T),(2.1)

де ?*ab - величина, яка визначає деякий термоактиваційний процес через енергетичну щілину – «псевдощілину».

Експонентна залежність ??(Т) вже спостерігалася раніше на плівкових зразках YBaCuO. Апроксимація експериментальних даних може бути суттєво розширена за допомогою введення співмножника (1-Т/Т*). У цьому випадку надмірна провідність виявляється пропорційною щільності надпровідних носіїв n s ~(1-Т/Т*) і обернено пропорційною числу пар ~exp (-?*/kT), зруйнованих тепловим рухом

??~(1-Т/Т*)exp(?*ab/T),(2.2)

При цьому Т* розглядається як середньопольова температура надпровідного переходу, а температурний інтервал Т з

На рис. 2.4 показані температурні залежності псевдощілини у наведених координатах ?*(Т)/ ?*max - Т/Т* ( ?*max - значення ?* на плато далеко від Т *). Температурні залежності псевдощілини в рамках теорії кросовера БКШ-БЕК у загальному вигляді описуються рівнянням

де x 0 = ? /?(0) (?- хімпотенціал системи носіїв; ?(0) - величина енергетичної щілини за Т=0), а erf(x) - функція похибок.

У граничному випадку x 0?? (слабкого спарювання) аналітичний вираз (2.3) набуває вигляду

добре відомого теоретично БКШ. У той же час для межі сильних взаємодій у 3-х мірному випадку (x 0 < -1) формула (2.3) переходит в

Рис. 2.4 Температурні залежності псевдощелі кристалів К1, К2 у наведених координатах ?*(Т)/ ?*мах - Т/Т* ( ?*мах - значення ?* на плато далеко від Т *). Нумерація кривих відповідає нумерації на рис. 2.3. Пунктирною лінією 3 показана залежність ?*(Т)/ ?(0) від Т/Т*, розрахована відповідно до значень параметра кросовера ?/?(0)= -10 (кордон БЕК)

Результати розрахунків показують, що за малому допировании празеодимом відбувається загальне відносне звуження температурної області реалізації ПЩ більш, ніж удвічі, від t*=0,530 до 0,243, за одночасного відносного розширення області існування ФП, від t f =0,0158 до 0,0411, для кристалів К1 і К2 відповідно.

Основні результати, отримані у цій роботі:

Збільшення електроопору на лінійній ділянці залежностей ?ab (Т) у разі часткової заміни Y на Pr свідчить про ефективність розсіювання нормальних носіїв на домішках Pr.

Надмірна провідність ??(Т) монокристалів YBaCuO та Y 1-z Pr z Ba 2Cu 3O 7-?у широкому інтервалі температур T f <Т

Допування монокристалів YBaCuO малими домішками празеодима z?0.05 призводить до незвичайного ефекту звуження температурного інтервалу реалізації ПЩ-режиму, тим самим продовжуючи область лінійної залежності ?(Т) в ab-площині.

додаток

Таблиця 1. ВТСП-купрати

Список використаних джерел

1. Deutschei Cuy. Superconductivy gan and pseudogap // FNT,-2006,-v. 32-№6.-p.740-745.

А.А. Завгородній, Р.В. Вовк, М.О. Оболенський, О.В. Самойлов, І.Л.Гулатіс. Вплив легування празеодимом на надлишкову провідність монокристалів YBaCuO із системою односпрямованих двійникових між// «Вісник Донецького національного університету», серія А «Природничі науки». №839. -Віп.1. – С. 253-256 (2009).

J.G.Bednorz, K.A.Muller, Rev. Mod. Phys., - B, 64, - P.189-(1988).

Фізичні властивості високотемпературних надпровідників. Під. ред. Д.М.Гінзберга. М:. "Мир", 1990, 544 С.

Садовський М.В. УФН 171539 (2001) .

C. Renner та ін. Phys. Rev. Lett. 80, 3606 (1998); S.H. Pan та ін. Phys. Rev. Lett. 85, 1536 (2000).

7. Інтернет:<#"justify">17. S. Hikami, A.I. Larkin. Theory of layer structure superconductors.// Modern

Phys. Lett., .B2, pp. 693-698 (1988).

HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVE DC CABLE LINES – A STEP TOWARDS INTELLIGENT POWER NETWORKS

V.E. Sytnikov, Doctor of Engineering, JSC "NTC FSK EES"
T.V. Ryabin, Deputy Director в JSC “NTC FSK EES”
DV. Sorokin, Candidate of Engineering, JSC "NTC FSK EES"

Keywords: superconductive cables; Power network, critical current, cryogenics.

Electrical industry of XXI century should provide for high efficiency of energy generation, transportation and use. Це може бути пов'язано з великими потребами для управління системою енергії, як добре для екологічних і ресурсів, що впливають на всі структури енергетичної генерації і розповсюдження. Використання суперкондуктивних технологій дозволяє реалізувати якість новим intellectual level of functioning of this industry. PAO FSK EES має здійснити R&D програму, яка включає розвиток високої температури superconductive AC і DC cable lines (hereinafter HTSC CL).

Опис:

Електроенергетика XXI століття має забезпечувати високу ефективність вироблення, транспортування та споживання енергії. Цього можна досягти шляхом підвищення вимог до керованості енергосистеми, а також до екологічних та ресурсозберігаючих характеристик на всіх етапах виробництва та розподілу електроенергії. Використання надпровідникових технологій дозволяє перейти на якісно новий інтелектуальний рівень функціонування цієї галузі. ПАТ «ФСК ЄЕС» було прийнято програму НДДКР, що включає створення високотемпературних надпровідних кабельних ліній (далі – ВТСП КЛ) змінного та постійного струму

В. Є. Ситніков, доктор техн. наук, заступник наукового керівника, АТ "НТЦ ФСК ЄЕС"

Т. В. Рябін, заступник генерального директора, АТ "НТЦ ФСК ЄЕС";

Д. В. Сорокін, Канд. техн. наук, начальник Центру системних досліджень та розробок ІЕС ААС, АТ «НТЦ ФСК ЄЕС»

Електроенергетика XXI століття має забезпечувати високу ефективність вироблення, транспортування та споживання енергії. Цього можна досягти шляхом підвищення вимог до керованості енергосистеми, а також до екологічних та ресурсозберігаючих характеристик на всіх етапах виробництва та розподілу електроенергії. Використання надпровідникових технологій дозволяє перейти на якісно новий інтелектуальний рівень функціонування цієї галузі. ПАТ «ФСК ЄЕС» була прийнята програма НДДКР, що включає створення високотемпературних надпровідних кабельних ліній (далі – ВТСП КЛ) змінного та постійного струму 1 .

У більшості промислово розвинених країн світу ведуться інтенсивні дослідження та розробка нових видів електротехнічних пристроїв на основі надпровідників. Інтерес до цих розробок особливо посилився останніми роками у зв'язку з відкриттям високотемпературних надпровідників (далі – ВТСП), що не потребують складних і дорогих приладів, що охолоджують.

Перспективи застосування надпровідних кабелів

Саме силові надпровідні кабелі є найбільш розробленим та просунутим способом застосування надпровідності в електроенергетиці в даний час. Основними перевагами надпровідних кабелів є:

• висока ефективність у зв'язку з малими втратами енергії у надпровіднику;
• можливість заміни існуючого кабелю на кабель з більшою потужністю, що передається при тих же габаритах;
• легка вага за рахунок меншої кількості використовуваного матеріалу;
• збільшення життєвого циклу кабелю внаслідок уповільнення процесів старіння ізоляції;
• низький імпеданс та велика критична довжина;
• відсутність електромагнітних та теплових полів розсіювання, екологічна чистота та пожежна безпека;
• можливість передачі великих потужностей при порівняно низькій напрузі.

ВТСП КЛ постійного та змінного струму – інноваційна розробка, що дозволяє вирішити значну частину проблем електричних мереж. Однак при використанні ВТСП КЛ постійного струму лінія стає керованим елементом мережі, що регулює потоки енергії, що передається аж до реверсу передачі. ВТСП КЛ постійного струму мають низку додаткових переваг у порівнянні з лініями змінного струму:

• обмеження струмів короткого замикання, що дозволяє з'єднати по низькій стороні окремі сектори енергосистеми без збільшення струмів короткого замикання;
• підвищення стійкості мережі та запобігання каскадним відключенням споживачів за рахунок взаємного резервування енергорайонів;
• регулювання розподілу потоків потужності у паралельних лініях;
• передача потужності з мінімальними втратами в кабелі та, як наслідок, зниження вимог до кріогенної системи;
• можливість зв'язку несинхронізованих енергосистем.

В електричних мережах можливе створення схеми із застосуванням як ВТСП КЛ змінного, і ліній постійного струму. Обидві системи мають свої кращі сфери застосування, і в кінцевому підсумку вибір визначається як технічними, так і економічними міркуваннями.

Надпровідні вставки між підстанціями у мегаполісах

Енергетичні мережі мегаполісів є структурою, що динамічно розвивається і має такі особливості:

• швидке зростання споживання енергії, що зазвичай перевищує середній темп зростання споживання по всій країні;
• висока густина енергоспоживання;
• наявність дефіцитних щодо енергозабезпечення районів;
• високий рівень розгалуженості розподільних електричних мереж, що зумовлено необхідністю багаторазового дублювання ліній електропостачання споживачів;
• секціонування електричної мережі з метою зменшення струмів короткого замикання.

Всі ці фактори визначають основні проблеми в мережах міських агломерацій:

• високий рівень втрат електроенергії у розподільчих мережах;
• високі рівні струмів короткого замикання, значення яких у деяких випадках перевищують здатність комутаційного обладнання, що відключає;
• низький рівень керованості.

При цьому завантаження підстанцій у місті дуже нерівномірне. У багатьох випадках трансформатори підстанцій завантажені лише на 30-60%. Як правило, підстанції глибокого введення в містах запитуються по окремих лініях високої напруги. З'єднання підстанцій за середньої напруги може забезпечити взаємне резервування енергорайонів і звільнити резервні трансформаторні потужності, що зрештою призведе до зниження втрат енергії у мережі. Крім того, такий тип підключення дозволяє використовувати потужності, що вивільнилися, для підключення додаткового навантаження без необхідності введення в експлуатацію нових трансформаторів або будівництва нових підстанцій і ліній електропередачі .

За наявності вставки (рис. 1) три трансформатори повністю забезпечать електроенергією приєднаних споживачів при завантаженні не більше 80%. Четвертий трансформатор і лінія живлення можуть бути виведені в оперативний резерв, що призведе до зниження втрат енергії. Також вони можуть використовуватись для підключення додаткових споживачів. Така вставка може бути виконана як за традиційними технологіями, так і з використанням надпровідних кабельних ліній.

Малюнок 1.

Основною проблемою при реалізації такої схеми є той факт, що пряме з'єднання підстанцій спричинить суттєве збільшення струму короткого замикання. Дана схема стане працездатною лише у випадку, якщо вставка виконуватиме дві функції: передачу потужності та обмеження струмів короткого замикання. Отже, під час передачі великих потоків енергії на розподільчій напрузі надпровідні лінії мають незаперечні переваги.

Вирішення завдання створення вставки обіцяє великі перспективи щодо вдосконалення систем електропостачання мегаполісів. В даний час у світі здійснюються три великі наукові проекти, що мають на меті передачу високої потужності на середній напрузі між двома підстанціями при одночасному обмеженні струмів короткого замикання: проект HYDRA, Нью-Йорк, США; проект AmpaCity, Ессен, Німеччина 2; проект «Санкт-Петербург», Росія. На останньому проекті зупинимося докладніше.

Російська ВТСП КЛ постійного струму

Мета проекту «Санкт-Петербург» – розробка та встановлення надпровідної лінії постійного струму потужністю 50 МВт між двома міськими підстанціями з метою підвищення надійності електропостачання споживачів та обмеження струму короткого замикання у міській мережі Північної столиці. Проект передбачає монтаж кабельних ліній між підстанцією 330/20 кВ «Центральна» та підстанцією 220/20 кВ РП 9 (рис. 2). Надпровідна лінія постійного струму зв'яже дві підстанції за середньої напруги 20 кВ. Довжина лінії - 2 500 м, а потужність, що передається, - 50 МВт. У петербурзькому проекті функції передачі потужності та обмеження струмів короткого замикання розділені між кабелем та перетворювачами при їх відповідному налаштуванні. Надпровідний кабель постійного струму, на відміну кабелю змінного струму, не має втрат енергії, що істотно знижує вимоги до потужності кріогенної установки. Однак за даної схеми виникають додаткові втрати енергії в перетворювачах. Лінія постійного струму є активним елементом мережі та дозволяє керувати енергетичними потоками в прилеглих лініях як за напрямом, так і потужністю передачі.

Вплив проекту на електричні режими

В енергорайоні ПС 330 кВ «Центральна» та ПС 220 кВ РП 9 (далі – Центральна/РП 9) можливе виникнення ряду післяаварійних режимів, зумовлених аварійним відключенням ліній електропередачі та пов'язаних з порушенням електропостачання споживачів (виділенням енергорайонів на ізольовану).

Розрахунки показали, що резервування електропостачання споживачів за рахунок будівництва та введення в експлуатацію лінії електропередачі змінного струму (традиційної кабельної або повітряної лінії електропередачі) Центральна/РП 9 неможлива, оскільки це підвищує тяжкість післяаварійних режимів. Уникнути цього можна за рахунок введення в експлуатацію керованої передачі постійного струму з ВТСП КЛ постійного струму.

Управління величиною та напрямком потоку потужності ВТСП КЛ постійного струму дозволяє також забезпечити можливість:

• зниження втрат активної потужності в електричних мережах (за рахунок перерозподілу та ліквідації транзитних потоків потужності);
• підключення нових споживачів на базі існуючої електромережної інфраструктури (за рахунок перерозподілу потоків потужності та зняття струмових перевантажень електричних мереж у нормальних експлуатаційних та післяаварійних режимах енергосистем).

Вплив проекту на рівень струмів короткого замикання

Розрахунки струмів короткого замикання виконані 3 випадку введення в схему традиційної кабельної лінії змінного струму, а також ВТСП КЛ постійного струму. За результатами розрахунків (табл. 1) приходимо до висновку, що включення до схеми електропостачання Санкт-Петербурга кабельної лінії змінного струму Центральна/РП 9 призводить до зростання величини струму короткого замикання вище за рівень номінального струму відключення вимикачів. Це означає, що буде потрібна реалізація додаткових струмообмежувальних заходів або заміна комутаційних апаратів на підстанціях. Застосування ВСТП КЛ постійного струму (таб. 3) не призводить до збільшення струмів короткого замикання в енергосистемі.

Таблиця 1 Результати розрахунку струмів короткого замикання

Позначення: I 3 – струм трифазного короткого замикання; I 1 – струм однофазного короткого замикання; Iвимк – номінальний струм відключення вимикачів (прийнятий за станом вимикачів підстанції на рівні 2014 року).

Оцінка втрат енергії у надпровідних лініях

У лініях змінного струму середньої напруги втрати електричної енергії виникають у самому кабелі, електричної ізоляції та струмових вводах. У лінії постійного струму втрати енергії в кабелі та ізоляції відсутні, однак вони є в перетворювальних пристроях, струмових вводах. Крім того, кріогенна система споживає електроенергію для компенсації всіх теплоприток у холодну зону та для прокачування холодоагенту по всій трасі.

Для трифазної лінії змінного струму середньої напруги на потужність 100 МВА, що передається, втрати енергії на фазу складаються з наступних величин:

• електромагнітні втрати у жилі кабелю – 1,0–1,5 Вт/м;
• теплопритоки через кріостат – 1,5 Вт/м;
• теплопритоки через струмівводи - (200-300 Вт) x 2;
• втрати енергії у ізоляції – близько 0,1 Вт/м.

Загальні теплопритоки в холодну зону за довжиною трифазної лінії 10 км становитимуть 78,5-93,5 кВт. Помножуючи цю величину на типове значення коефіцієнта рефрижерації, що дорівнює 20, отримаємо 1,57-1,87 МВА, або менше 2% від потужності, що передається.

Для аналогічної лінії постійного струму теплоприток в холодну зону обмежується тільки теплоприток через кріостат і струмівводи. Тоді загальні втрати енергії в кабелі довжиною 10 км з урахуванням кріогенної системи становитимуть 0,31 МВА, або 0,31 % від потужності, що передається.

Для оцінки загальних втрат у лінії постійного струму слід додати втрати в перетворювачах - 2% від потужності, що передається. Підсумкові втрати у ВТСП КЛ постійного струму довжиною 10 км на передану потужність 100 МВт оцінюються величиною не більше 2,5% від потужності, що передається.

Наведені оцінки показують, що втрати енергії в надпровідних кабельних лініях значно менші, ніж у традиційних кабельних лініях. При збільшенні потужності, що передається, відсоток втрат енергії знижується. За сьогоднішнього рівня характеристик матеріалів можлива передача енергії 150–300 МВт при напрузі 20 кВ і до 1 000 МВт при 110 кВ.

Можливості впровадження

Успішні випробування ВТСП КЛ постійного та змінного струмів продемонстрували високу ефективність надпровідних ліній.

Однією з основних переваг надпровідних кабельних ліній є можливість передачі великих потоків енергії (сотні мегават) на розподільчій напрузі. Ці нові можливості доцільно враховувати і використовувати під час проектування або кардинальної реконструкції мережевих об'єктів.

Наприклад, при реконструкції/створенні енергосистеми Нової Москви доцільно було б передбачити створення поздовжніх потужних надпровідних ліній, а кілька потужних підстанцій зв'язати в кільцеву структуру надпровідними лініями постійного струму за середньої напруги. Це дозволить суттєво підвищити енергоефективність мережі, зменшити кількість базових підстанцій, забезпечити високу керованість енергопотоками та зрештою збільшити надійність енергопостачання споживачів. Така мережа може стати реальним прообразом розумної мережі майбутнього.

Література

1. Глібов І. А., Чорноплеков Н. А., Альтов В. А. Надпровідникові технології – новий етап у розвитку електротехніки та енергетики // Надпровідність: дослідження та розробки. 2002. № 41.
2. Ситников В. Є. Надпровідні кабелі та перспективи їх використання в енергетичних системах XXI століття // Надпровідність: дослідження та розробки. 2011. №15.
3. EPRI. Superconducting Power Equipment Technology Watch 2012. Palo Alto, CA, USA, 2012.
4. Stemmle M., Merschel R, Noe M. Physics Procedia 36 (2012).
5. Ситников В. Е., Копилов С. І., Шакарян Ю. Г., Кривецький І. В. ВТСП передача постійного струму як елемент інтелектуальної мережі великих міст. Матеріали 1-ї Національної конференції з прикладної надпровідності. М.: НДЦ «Курчатівський інститут», 2013.
6. Kopylov S., Sytnikov V., Bemert S. et. al. // Journal Physics.: Conference. Series. 2014. V. 507. P. 032047.
7. Волков Е. П., Висоцький B. C., Kapпышев A. B., Костюк В. В., Ситников В. Є., Фірсов В. П. Створення першого в Росії надпровідного кабелю з використанням явища високотемпературної надпровідності. Збірник статей РАН "Інноваційні технології в енергетиці" за ред. Е. П. Волкова та В. В. Костюка. М.: Наука, 2010.

1 Основна увага у статті приділена результатам випробувань та перспективам широкого впровадження в електроенергетику ВТСП кабельних ліній постійного струму.

2 1. Проект HYDRA, Нью-Йорк, США. Мета проекту – розробка та встановлення надпровідної кабельної лінії змінного струму між двома міськими підстанціями у Нью-Йорку. Лінія повинна забезпечувати зв'язок із високою пропускною здатністю (96 МВА) між підстанціями на стороні вторинної обмотки трансформаторів (13,8 кВ). Кабельна система матиме здатність обмежувати струм короткого замикання за рахунок швидкого переходу в нормальний стан ВТСП стрічок другого покоління. За рахунок цього забезпечується низьке значення опору лінії в номінальному режимі (надпровідний стан лінії) та перехід у стан з високим опором при перевантаженні струмом.
У проекті HYDRA поєднуються функції передачі великої потужності та обмеження струму в одному пристрої – надпровідному кабелі спеціальної конструкції. Це робить надзвичайно складним завдання оптимізації кабелю з урахуванням можливих мережевих режимів, умов охолодження та прокладання кабелю. Крім того, технічні рішення, розроблені для одного проекту, не можуть тиражуватися для інших через різні режимні умови та умови прокладання, а отже, і умови охолодження кабелю, який періодично повинен переходити з надпровідного стану в нормально провідне.
2. Проект AmpaCity, Ессен, Німеччина. Мета проекту – розробка та встановлення надпровідної передачі змінного струму потужністю 40 МВА між двома міськими підстанціями. Передача складається з надпровідного кабелю довжиною 1000 м і струмообмежувача на напругу 10 кВ, включених послідовно. Ця передача з'єднує дві підстанції 110/10 кВ Herkules та Dellbrugge у центрі міста Ессен. Реалізація проекту дозволить вивести з експлуатації один трансформатор потужністю 40 МВА та лінію 110 кВ.
У проекті AmpaCity функції передачі потужності та обмеження струмів короткого замикання розділені між кабелем та струмообмежувачем. Це спрощує завдання розробки кожного пристрою та дозволяє виготовляти кабель із високим ступенем стабілізації, що неможливо у проекті HYDRA. Зрозуміло, потрібне узгодження характеристик кабелю та струмообмежувача, однак це не є складним завданням, і розроблені при виконанні проекту технічні рішення можуть тиражуватися розробки інших ліній з аналогічними параметрами.

3 Розрахунки виконані з урахуванням застосування перспективної схеми енергосистеми Санкт-Петербурга та Ленінградської області на 2020 рік.

Явище високотемпературної надпровідності (ВТСП) нещодавно цікавило лише вчених. Проте сьогодні ринку електроенергетичного устаткування виходять комерційно прибуткові продукти з урахуванням ВТСП, зокрема російського виробництва. ВТСП може зробити прорив у технологіях передачі електроенергії.

Зовсім не гаряча ВТСП

На початку ХХ століття було відкрито, що ряду металів і сплавів властива надпровідність, тобто здатність мати нульовий опір, при температурі, близькій до абсолютного нуля (близько -270 ° С). Довгий час надпровідники можна було використовувати лише за температури рідкого гелію, що дозволило створити прискорювальне обладнання та магнітно-резонанснітомографи.

У 1986 р. відкрили надпровідність за нормальної температури близько 30К, що було удостоєно Нобелівської премії, а початку 1990-х гг. вдалося досягти надпровідності вже при 138К, причому як надпровідник використовувалися вже не метали, а оксидні сполуки.
Керамічні матеріали, що мають нульовий опір при температурі вище температури рідкого азоту (77К) отримали назву високотемпературних надпровідників (ВТСП). Однак якщо ми переведемо Кельвіни в звичні для нас градуси Цельсія, то зрозуміємо, що йдеться про не надто високі температури, скажімо, близько мінус 169–200°С. Такі умови навіть сувора російська зима забезпечити не в змозі.

Уми дослідників розбурхує ідея знайти матеріали, здатні переходити у надпровіднестан за кімнатної температури (293К). Теоретично така можливість існує. За деякими даними, надпровідні властивості нібито вдавалося зафіксувати навіть у окремих зерен графіту після спеціальної обробки. На сьогоднішній день пошук «кімнатно-температурних» надпровідників (КТСП) вважається одним з ключових дослідницьких завдань у галузі нанотехнологій. Проте поки що не лише практичне застосування, а й надійне експериментальне підтвердження КТСП залишається питанням завтрашнього дня. Сьогоднішня електроенергетика опановує використання ВТСП.

Обладнання на основі високотемпературної надпровідності потребує охолодження рідким азотом. Як відзначають експерти галузі, це відносно дешевий та зручний холодоагент, що забезпечує температуру 77К і дозволяє реалізовувати практичні проекти.

Користь надпровідності

Надпровідність може використовуватися (і вже використовується) у різних сферах. Вперше вона була застосована під час створення магнітів з високими полями. За допомогою надпровідників може бути забезпечена магнітна левітація, що дозволяє високошвидкісним поїздам рухатися плавно, без шуму та тертя. Створюються ВТСП електродвигуни для суден та промисловості,які мають істотно менші масогабаритні параметри при рівній потужності. Надпровідність цікава з погляду мікроелектроніки та комп'ютерної техніки. Низькотемпературні надпровідники застосовують у медичних діагностичних апаратах (томографах), і навіть у таких екзотичних проектах «меганауки», як великий адронний колайдер та міжнародний термоядерний реактор.

З високотемпературною надпровідністю пов'язані надії на подолання глобальної енергетичної дилеми, пов'язаної, з одного боку, з постійним зростанням енергоспоживання у теперішньому та майбутньому, а з іншого боку, з необхідністюрадикально скорочувати викиди вуглекислого газу, щоб запобігти змінам клімату. Адже, по суті, ВТСП виводить звичне обладнання для генерації та передачі електроенергії. на принциповоновий рівень із погляду ефективності.

Одне з очевидних застосувань надпровідників пов'язані з передачею електроенергії. ВТСП кабелі можуть передавати значну потужність при мінімальному перерізі, тобто мають пропускну здатність іншого порядку, ніж традиційні кабелі. При проходженні струму через надпровідник не виділяється тепло, і практично немає втрат, тобто вирішується головна проблема розподільних мереж.

Генератори завдяки обмоткам з надпровіднихматеріалів, які забезпечують величезні магнітні поля, стають значно сильнішими. Наприклад, концерн Siemens побудував три ВТСП генератори потужністю до 4 МВт. Машина вдвічі легша і менша в порівнянні зі звичайним генератором тієї ж потужності. Також, ВТСП генератор показав велику стійкість по напрузі при зміні навантаження та вищі характеристики з точки зору споживання реактивної потужності.

Сьогодні у світі активно ведуться розробки вітрогенераторів на основі високотемпературної надпровідності. При використанніВТСП обмоток реально виробництво ВТСП генераторів потужністю 10 МВт, які будуть у 2-4 рази легшими за звичайні.

p align="justify"> Перспективна сфера для широкого застосування надпровідників - накопичувачі енергії, роль яких також велика з точки зору розвитку сучасних енергосистем, що використовують відновлювані джерела енергії. Навіть звичне електрообладнання, таке як трансформатори, набуває якісно нових характеристик завдяки ВТСП.

Надпровідність дозволяє створювати такі незвичайні пристрої як обмежувачі струму короткого замикання, що повністю автоматично обмежують струм при замиканні і автоматично жщо включаються при знятті КЗ.

Стрічка другого покоління

Що ж із цих перспективних ідей вже вдалося втілити на практиці, і чиїми зусиллями? Насамперед слід зазначити, що на сьогоднішній день на ринку представлені високотемпературні надпровідники першого та другого покоління (ВТСП-1 та ВТСП-2). За обсягом випущеної на сьогоднішній день продукції поки що виграють ВТСП-1, але для експертів очевидно, що майбутнє за надпровідникамиДругого покоління. Це з тим, що у конструкції надпровідників ВТСП-2 понад 70% становить матриця, виготовлена ​​з срібла.

Одна з ключових російських компаній, що працюють над темою надпровідників другого покоління, – ЗАТ «СуперОкс». Зародилася вона у стінах МДУ імені Ломоносова, де наукова група хімічного факультету працювала над технологією осадження тонких плівок надпровідників. У 2006 р. на базі накопичених знань було запущено комерційний проект із створення вітчизняного виробництва ВТСП-проводів 2-го покоління.

У 2011 р. сферу інтересів «СуперОкс» було розширено за рахунок тісної взаємодії з новоствореною компанією SuperOx Japan LLC. Було створено пілотну виробничу лінію, що дозволяє виробляти ВТСП-провід з критичним струмом до 500 А/см ширини. З 2011 р. компанія «СуперОкс-Інновації» також є резидентом «Сколково», де проводить прикладні дослідження, спрямовані на оптимізацію технічних характеристик ВТСП стрічок другого покоління, розробляє різні технології виробництва цих матеріалів. У 2013 році було запущено виробництво стрічки ВТСП-2 у московському технопарку «Слава».

«Наш продукт, надпровідна стрічка другого покоління є підкладкою зі спеціальної нержавіючої сталі, стійкою до високих температур, яка згодом при нанесенні тонких плівок не втрачає своїх механічних властивостей, - розповідає Вадим Амелічев, провідний спеціаліст ЗАТ «СуперОкс». - Спеціальними методами на цю підкладку наносяться буферні оксидні шари, а як функціональний шар - плівка купрату гадолінію-барію. Потім ця структура покривається тонкими шарами срібла або міді, і в такому вигляді використовується у надпровідниковихпристроях.

У такого матеріалу при товщині плівки всього в один-два мікрони струмопровідна здатність близько 500 А на 1 мм² перерізу, тобто в сотні разів більше, ніж у звичайного мідного кабелю. Відповідно, така стрічка ідеальна для застосування, де потрібен високий струм. Кабелі на великі струми, магніти на великі поля – основна сфера застосування».

«СуперОкс» має повний цикл виробництва стрічки ВТСП-2. У 2012 р. стартували продажі цього інноваційного продукту, і зараз матеріал поставляється не лише до Росії, але та експортуєтьсяу дев'ять країн, у тому числі Євросоюз, Японію, Тайвань та Нову Зеландію.
«У світі не так багато виробників стрічки ВТСП-2, – пояснює Вадим Амелічов. - Є дві американські фірми, компанії у Південній Кореї та Японії. У Європі, крім нас, ніхто в промислових масштабах таку стрічку не виробляє. Нашу стрічку тестували у багатьох дослідницьких центрах та підтвердили конкурентоспроможність її характеристик».

Розвинути нову індустрію

«Незважаючи на те, що високотемпературна надпровідність виникла зовсім недавно, питаннями її застосування в техніці активно займаються. у технологічнорозвинених країнах світу, – розповідає Віктор Панцирний, д.т.н., дійсний член АЕН РФ, директор з розвитку АТ «Російський надпровідник», – У нашій країні в рамках Комісії при Президентові РФ з модернізації та технологічномурозвитку економіки Росії ініційований проект «Надпровідникова індустрія» як частина проекту «Інноваційна енергетика» за пріоритетним напрямом «Енергоефективність».

Даний проект у галузі надпровідникової індустрії координує компанія "Російський надпровідник", створена Держкорпорацією "Росатом". За п'ятирічку з 2011 по 2015 р. тут планують створити конкурентоспроможні технології виробництва високотемпературних надпровідників другого покоління, дослідне виробництво довгомірних (до 1000 м) стрічкових дротів ВТСП-2, а також розробити прототипи обладнання на основі ВТСП-2 дротів для електроенергетики. Це і генераторивеликої потужності, і обмежувачі струму (СОТ), і кінетичні накопичувачі енергії (КНЕ), а також потужні струмівводи для магнітних систем, індуктивні накопичувачі енергії (СПІН), трансформатори, електродвигуни великої потужності.

З 2016 р. планується запустити серійне виробництво ВТСП-2 проводів та ряду пристроїв на їх основі. У роботах з даного проекту беруть участь близько 30 організацій, включаючи ВНЗ, академічні та галузеві науково-дослідні центри, проектні бюро та промислові організації, зокрема ВАТ «ВНІІНМ», ВАТ «НДІЕФА», ВАТ «НДІТФА», ВАТ «ГІРЕДМЕТ», ВАТ «НІФХІ», ВАТ ТВЕЛ, ВАТ «Точмаш» так і поза ним, у НДЦ «Курчатовський інститут», ЕНІН ім. Кржижанівського,ФДБОУ МАІ, НДЯУ МІФІ, ГУАП, ВАТ «Россети», ВАТ «НТЦ ФСК ЄЕС», ЗАТ «СуперОкс», ВАТ «ВНДІКП», ВАТ «НДІЕМ», ОКБ «Якір» та ін.

«Структурно проект складається з дев'яти завдань, які виконуються паралельно, – пояснює Віктор Панцирний. – З 2011 по 2013 рр. вдалося створити перші вітчизняні діючі макети надпровідникових машин - двигун і генератор потужністю 50 кВт, кінетичний накопичувач енергії на 0,5 МДж, надпровідниковий обмежувач струмів короткого замикання потужністю 3,5 МВт для енергетичних мереж напругою 3,5 кВ, надпровідний трансформатор струмівводи для магнітних систем, що пропускають струм 1500А.

Також створено основи технології повністю вітчизняного виробництва стрічкових дротів ВТСП-2, починаючи від сировинних матеріалів та закінчуючи методами контролю готової продукції. Було знайдено основні технологічні рішення, що дозволили перейти до створення повномасштабних прототипів енергетичних пристроїв. Так зараз завершується робота зі створення двигуна потужністю 200 кВт».

Завдяки застосуванню ВТСП-2 обмоток такий двигун при його установці на електромобіль(електробус) дозволить збільшити пробіг на 15-20% між заряджаннями акумуляторних батарей. Виготовлений та готується до випробувань у мережі залізничного транспорту надпровідний обмежувач струмів короткого замикання потужністю понад 7 МВА. Завершується виготовлення генератора потужністю 1 МВА, перспективного застосування у вітряних енергетичних установках.
На базі унікальних технологій Росатому створюється кінетичний накопичувач енергії з надпровідниковимпідвісом маховиків, що має енергоємність понад 7 МДж. Слід зазначити розробку індуктивного накопичувача енергії, здатного гранично короткий час віддати акумульовану енергію до кількох МДж. На завершальній стадії перебувають і роботи зі створення надпровідникового трансформатора потужністю вже 1000 кВА.

«Крім того, найважливішими результатами проекту будуть створення потужної експериментальної та технологічноїбази, а також формування колективів висококваліфікованих спеціалістів у сфері надпровідникових технологій, – робить висновок Віктор Панцирний. – Цього року у НДЦ Курчатовський інститут запрацює комплексна виробничо-дослідна лінія з отримання ВТСП-2 стрічкових надпровідників методом лазерної абляції. Лінія стане інструментом розвитку науки та технології ВТСП матеріалів, використовуючи максимально потужну наукову інфраструктуру курчатівського НБІКС центру. Це дозволить інтенсивно розвивати перспективну високотехнологічну галузь, що веде до комерціалізаціїнадпровідникових технологій».

Кабелі змінного струму

Не можна не розповісти про російський проект зі створення надпровідного кабелю завдовжки 200 м. Над створенням кабелю працювали ВАТ «Енергетичнийінститут ім. Г.М. Кржижанівського»(ЕНІН), ВАТ «Всеросійськогонауково-дослідний інститут кабельної промисловості» (ВНДІКП), Московський авіаційний інститут та ВАТ «НТЦ електроенергетики». Розробка почалася у 2005 р., у 2009 р. було створено дослідний зразок, що успішно пройшов випробування на спеціально створеному унікальному полігоні.

Основні переваги ВТСП кабелю - високе струмове навантаження, малі втрати, екологічна чистота та пожежна безпека. Крім того, при передачі великої потужності такого кабелю при напрузі 10-20 кВ не потрібні проміжні підстанції.

ВТСП кабель є складною багатошаровою конструкцією. Центральний несучий елемент виконаний у вигляді спіралі з нержавіючої сталі, оточеної пучком дротів з міді та нержавіючої сталі, обмотаних мідною стрічкою. Поверх центрального елемента укладаються два повива надпровідних стрічок, а зверху - високовольтна ізоляція. Потім слід накладення надпровідного екрану, повивання гнучких мідних стрічок, обмотаних стрічкою з нержавіючої сталі. Кожна жила кабелю затягується у свій гнучкий кріостат завдовжки 200 м-коду.

Створення цієї багатокомпонентної конструкції ускладнюється тим, що ВТСП стрічка вкрай чутлива. Основна частина технологічних операцій проводилася на базі ВАТ «ВНДІКП». Однак для виготовлення високовольтної ізоляції кабель звозили до м. Перм на завод «Камський кабель».

«Для ВТСП кабелю ми робили операцію накладання паперової ізоляції, - розповідає Олександр Азанов, заступник головного технолога ТОВ «Камський кабель». - Було задіяне унікальне обладнання, яке раніше використовувалося для виробництва маслонаповнених кабелів високої напруги. Саме тому не пошкодували ресурсів на доставку напівфабрикату з Москви до Пермі та назад. І, гадаю, що поки що для виробництва таких спеціальних кабелів доцільно задіяти унікальне обладнання, встановлене на різних заводах, ніж організовувати виробництво в одному місці.

Найближчим часом організація серійного виробництва даного кабелю на нашому або будь-якому іншому заводі є малоймовірною, оскільки монтаж ліній з надпровідникамивиробляється дуже рідко і дуже малими довжинами (трохи більше 1 км). Головна причина тому – вартість ВТСП кабелів та їх обслуговування (потрібно постійно прокачувати рідкий азот через кабель)».

Кабелі постійного струму

На сьогоднішній день розробки у галузі створення ВТСП кабелів продовжуються. ВАТ «ФСК ЄЕС» та ВАТ «НТЦ ФСК ЄЕС» ведуть спільний НДДКР «Створення високотемпературної надпровідної кабельної лінії постійного струму на напругу 20 кВ із струмом 2500 А завдовжки до 2500 м». Перший прототип майбутньої інноваційної системи передачі енергії – два відрізки біполярного ВТСП кабелю по 30 м, розроблені в НТЦ ФСК ЄЕС та виготовлені на заводі «Іркутськкабель», – успішно пройшли струмові та високовольтнівипробування у 2013 р.

У листопаді 2014 р. відбулися випробування комплекту перетворювального обладнання для інноваційної передачі електроенергії потужністю 50 МВт з використаннямнадпровідного кабелю завдовжки кілька сотень метрів. Застосування ВТСП кабелю для електропостачання великих міст дозволить досягти зменшення площ землевідведення, відмовитися від будівництваповітряних ліній та знизити втрати електроенергії.

У НТЦ ФСК ЄЕС відзначають, що кабельна лінія постійного струму на основі ВТСП має низку переваг у порівнянні з лінією змінного струму. Вона не тільки дозволяє передавати потужність з мінімальними втратами, але й обмежувати струми короткого замикання, регулювати реактивну потужність, управляти потоками потужності та забезпечувати її реверс.

«Приємно усвідомлювати, що російські розробники ВТСП кабелів перебувають на передових рубежах, – каже Віталій Висоцький, д.т.н., академік АЕН РФ, директор наукового напряму – зав. відділенням надпровідних проводів та кабелів ВАТ «ВНДІКП». - Наприклад, кабель 200 м був найбільшим у Європі у 2009–2013 рр., і лише у 2014 р. у Німеччині було встановлено кабель завдовжки 1 км. Але і цей рекорд буде перекрито з випробуванням кабелю 2,5 км для Санкт-Петербурга».

Від держпідтримки – до приватних інвестицій

Експерти прогнозують досить активний розвиток світового та російського ринку надпровідників. Так, Андрій Вавілов, голова Ради Директорів ЗАТ «СуперОкс», зазначає, що обсяг світового ринку ВТСП подвоюється щороку і у 2017 р. досягне $1 млрд, при цьому частку РФ у світовому ринку можна оцінити приблизно у 10%.

«Ринок надпровідності для електроенергетики повинен розвиватися, оскільки щільність споживання енергії постійно зростає і без надпровідності підтримувати зростаючі запити неможливо», - упевнений Віталій Висоцький. - Однак енергетики дуже консервативні по відношенню до всього нового, та ще і дорогого.Тому поки що головне завдання - все-таки просування нових проектів із підтримкою державних організацій. Це стане доказом надійності та ефективності надпровідних пристроїв. Поява нових проектів викличе попит на виробництво ВТСП стрічок, збільшення їх випуску та зниження ціни, що знову ж таки допоможе розвитку ринку».

«На даній стадії комплексне вирішення всіх поставлених завдань неможливе без всебічної допомоги держави, але з кожним роком підвищується інвестиційна привабливість ВТСП техніки, що дозволяє з високою впевненістю очікувати припливу приватних інвестицій у її подальший комерційний розвиток», - погоджується з колегою Віктор Панцерний.
Експертів тішить, що загалом на рівні держави є розуміння значущості надпровідникових технологій.
«Розвиток надпровідникової індустрії має загальнонаціональне значення і є важливою складовою переходу на інноваційнийшлях розвитку країни. Це було недавно констатовано на розширеному засіданні Консультативної Ради при голові Комітету Державної Думи з енергетики ФС РФ, де, зокрема, було зазначено, що для забезпечення економічної та політичної незалежності Росії стратегічно необхідно мати вітчизняне виробництво низько- та високотемпературнихнадпровідних матеріалів, надпровідникових пристроїв та виробів на їх основі», - повідомляє Віктор Панцирний.

Плани на майбутнє

Ми попросили експертів оцінити, які сфери застосування надпровідності, на їх погляд, є найбільш перспективними і де можна очікувати комерційного використання технології в найближчі роки.

«Як і в усьому світі, у Росії сьогодні найбільш просунуті проекти надпровідних кабелів. Вони мають і, сподіваємось, розвиватимуться, – розповідає Віталій Висоцький. - Надпровідні кабелі на основі ВТСП - вже зараз чисто комерційний продукт, щоправда, поки що досить дорогий. Він стане дешевшим, коли почнеться його широке впровадження і знадобиться значна кількість ВТСП стрічок, що й здешевить їхнє виробництво.

Проте, як на мене, найбільш необхідними та затребуванимидля електроенергетики є надпровідні обмежувачі струму КЗ на рівні напруги від 100 кВ та вище. Звичайних пристроїв такого класу напруги просто не існує, і без надпровідності тут просто не обійтись. Такі проекти вже обговорюються у нашій країні. Крім того, на мою думку, добрі перспективи мають ВТСП машини для вітрогенераторів. Вони обіцяють значне (у рази) зниження ваги одиничного генератора та збільшення одиничної потужності».

«Сьогодні драйвер розвитку ринку надпровідникових виробів – електроенергетика (силові кабелі та обмежувачі струму), – вважає Андрій Вавілов. - Але й у низці інших галузей є значний потенціал. Наприклад, сьогодні розробляються варіанти застосування ВТСП проводу як ефективної заміни низькотемпературних надпровідників у прискорювальній техніці, що використовується для науки, виробництва ізотопів та медицини. У Росії є великі плани у цій галузі, зокрема, з будівництва сучасного колайдера NICA у Дубні.

Великий потенціал має створення ефективних машин, що обертаються, що мають унікальні тягові характеристики, низьку масу і вагу. Такі двигуни потрібні в першу чергу для забезпечення руху великих суден, а генератори можуть використовуватися у відновлюванійенергетики.

Абсолютно нові перспективи сьогодні відкриває явище магнітної левітації. Це не лише транспортні системи, а й безконтактні маніпулятори, а також довговічні підшипники із широким спектром застосування».

«Наступний розвиток високотемпературної надпровідності матиме виражений мультиплікативний ефект не тільки в електроенергетиці,але і в інших галузях, таких як космічний, авіаційний, морський, автомобільний та залізничнийтранспорт, машинобудування, металургiя, електронiка, медицина, прискорювальна техніка. Технології надпровідності також є важливими і для зміцнення обороноздатності країни», - переконаний Віктор Панцирний.

Одним словом, подальший розвиток технологій на основі надпровідності відкриває перед людством величезні перспективи, причому вже в найближчому часі.

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 в 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 та фонони подорожують разом через матеріал, і хвилі суттєво 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 має бути в змозі надпроводити за високих температур і тисків, можливо, навіть за кімнатної температури. Його ідея полягала в тому, що водень настільки легкий, що повинен утворювати ґрати, здатні вібрувати при дуже високих частотах і, отже, ставати серхпровідником при високих температурах та тисках.

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.