Низкотемпературная и высокотемпературная сверхпроводимость. Высокотемпературные сверхпроводники

Вплоть до последнего времени практическое применение было весьма ограниченным вследствие их низких рабочих температур - менее 20К. Открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников, которые имеют критические температуры

изменило

ситуацию,

упростив весь комплекс вопросов охлаждения (рабочая температура обмоток «выросла», они стали менее чувствительны к тепловым возмущениям). Теперь появились возможности

создания

поколения

электрооборудования,

использования

низкотемпературных

сверхпроводников

оказалось

бы чрезвычайно

дорогостоящим,

нерентабельным.

Вторая половина 90-х годов прошлого века - это начало широкого

наступления

высокотемпературной

сверхпроводимости на электроэнергетику. Высокотемпературные

сверхпроводники

использовать

изготовлении

трансформаторов,

электрических

индуктивных

накопителей

неограниченным

хранения), ограничителей тока и т.д. В сравнении с установленными

характеризуются

уменьшенными

потерями

и габаритами и обеспечивают повышение эффективности производства, передачи и распределения электроэнергии. Так, сверхпроводящие трансформаторы будут обладать

потерями,

чем трансформаторы той же мощности, имеющие обычные обмотки. Кроме того, сверхпроводящие трансформаторы

способны

ограничивать

перегрузки,

не нуждаются в минеральном масле, а значит экологичны и не подвержены риску возгорания. Сверхпроводящие ограничители

временные

характеристики, то есть менее инерционны; включение в электрическую сеть сверхпроводящих генераторов и накопителей энергии улучшит ее стабильность. Токонесущая способность

подземных

сверхпроводящих

может быть в 2-5 раз выше, чем у обычных . Сверхпроводящие кабели гораздо компактнее, то есть существенно облегчается их прокладка в условиях насыщенной городской/пригородной инфраструктуры.

Показательны

технико-экономические

расчеты южно-корейских

энергетиков,

проведенные

рамках долговременного

планирования

электрических

сетей сеульского региона. Их результаты свидетельствуют о том, что прокладка на 154 кВ, 1 ГВт сверхпроводящими

кабелями

обойдется

чем обычными.

включаются

конструирование и монтаж кабеля и кабелепроводов (учитывается уменьшение числа требуемых ниток и, соответственно, уменьшение общего количества кабеля в км и уменьшение внутреннего диаметра кабелепроводов). Европейские специалисты при проработке схожих вопросов обращают внимание на тот факт, что по сверхпроводящим

значительно

напряжении.

Следовательно, уменьшится электромагнитное загрязнение окружающей

густонаселенных

отказаться от линий сверхвысокого напряжения, прокладка которых

встречает

серьезное

сопротивление общественности, особенно «зеленых». Вселяет оптимизм и оценка, сделанная в США: внедрение

сверхпроводящего

оборудования

о генераторах, трансформаторах и двигателях) и кабелей в национальную энергетику позволит сэкономить до 3 % всей электроэнергии. При этом, широкое распространение

последних

Было подчеркнуто, что основные усилия разработчиков необходимо сосредоточить на: 1) повышении эффективности криосистем; 2) повышении токонесущей способности

сверхпроводящих

проводов

динамические потери и увеличить долю сверхпроводника по сечению провода); 3) снижении стоимости сверхпроводящих проводов (в частности, за счет роста производительности);

4) снижении расходов на криогенное оборудование. Отметим, что наивысшая достигнутая на сегодняшний день «инженерная» критическая плотность тока (критический ток, деленный на полную площадь сечения) двухсотметрового отрезка ленты на основе Bi-2223 составляет 14-16 кА/см 2 при температуре 77К. В развитых странах осуществляется плановая коммерциализация

технологий

высокотемпературных сверхпроводников. Показательна с этой точки зрения американская программа «Сверхпроводимость для электроэнергетики 1996-2000 гг.». Согласно этой программе,

включение

сверхпроводящих

компонент

электрооборудование обеспечит глобальное стратегическое

преимущество

промышленности

ХХI в. При этом, следует иметь в виду, что по оценкам Всемирного банка за грядущий 20-летний период (то есть к 2020 г.) ожидается 100-кратный рост объема продаж сверхпроводящего

оборудования

электроэнергетических

устройств

вырастет

32 млрд долл. (общий

сверхпроводников,

включающий

такие области применения, как транспорт, медицина, электроника и наука, достигнет уровня 122 млрд долл.).

Заметим, что Россия наряду с США и Японией сохраняла лидерство

развития

сверхпроводящих

технологий до начала 90-х годов ХХ в. С другой стороны, интересы

промышленно-технической

безопасности России несомненно требуют их энергичного использования как в электроэнергетике, так и в других отраслях. Прогресс сверхпроводящей технологии и ее «продвижение» на мировой электроэнергетический рынок сильно

результатов

демонстрации

успешной работы полноразмерных прототипов по всем видам продукции. Каковы

достижения

мирового

сообщества

в этом направлении? В Японии под патронажем Министерства экономики, торговли и промышленности осуществляется долговременная

программа

области разработки

ВТСП-оборудования,

первую очередь, силовых кабелей.

Проект разделен на две фазы: фаза 1 (2001-2004 гг.) и фаза 2 (2005-2009 гг.).

Координаторами

являются

Организация

развитию новых технологий в энергетике и промышленности (NEDO) и Исследовательская ассоциация по сверхпроводящему оборудованию и материалам (Super-GM). В

задействованы

KEPCO, Furukawa, Sumitomo, Fujikura, Hitachi и др. (ВТСП-кабели); KEPCO, Sumitomo, Toshiba и др. (ВТСП-ограничители тока); TEPCO, KEPCO, Fuji Electric и др. (ВТСП-магниты). В области кабелей работы сосредоточатся на разработке

ВТСП-проводни-ка

динамическими потерями

охлаждающей

способной

долговременно

поддерживать

температуру

кабеля (около 77К) длиной 500 м. Согласно программе, фаза 1 заканчивается изготовлением десятиметрового кабеля на 66-77 кВ (3 кА), имеющего динамические потери не более 1 Вт/м, а фаза 2 - изготовлением пятисотметрового кабеля на 66-77 кВ (5 кА) с такими же потерями. Работы

отработана конструкция

изготовлены

испытаны

первые отрезки, создана и испытана система охлаждения.

Параллельно,

Furukawa, Sumitomo ведут еще один проект по развитию электрических

токийского

сверхпроводящих. В рамках этого проекта проанализирована возможность подземной прокладки ВТСП-кабеля на 66 кВ (три фазы), имеющего диаметр 130 мм (его можно монтировать в существующих кабелепроводах диаметром 150 мм), вместо обычного однофазного кабеля на 275 кВ. Оказалось, что даже в случае строительства новых

кабелепроводов,

сверхпроводящую линию будут на 20 % ниже (исходя из цены сверхпроводящего провода 40 долл. за 1 кА м). Этапы проекта последовательно выполняются: к 1997 г. смонтирована тридцатиметровая

(однофазная)

прототипная

с замкнутым циклом охлаждения. Она была испытана под нагрузкой 40 кВ/1 кА в течение 100 час. К весне 2000 г. изготовлено 100 метров кабеля на 66 кВ (1 кА)/114 МВА - полноразмерного прототипа диаметром 130 мм (конструкция с «холодным» диэлектриком). Масштабный подход к этой проблеме демонстрируют США. В 1989 г. по инициативе EPRI началось детальное исследование применения высокотемпературных сверхпроводников, и уже в следующем году фирмы Pirelli

Superconductor Corp. разработали технологию изготовления сверхпроводящих

«порошок

трубке»).

В дальнейшем American Superconductor постоянно наращивала

производственные

мощности,

добившись показателя 100 км ленты в год, а в ближайшем будущем, с вводом в строй нового завода в г. Дивенсе (штат Миннесота), эта цифра дойдет до 10000 км в год. Прогнозируемая цена ленты составит 50 долл. за 1 кА м (сейчас фирма предлагает ленту по 200 дол. за 1 кА м). Следующий

важнейший

появление

так называемой партнерской инициативы в области сверхпроводимости (Superconductivity Partnership Initiative - SPI)

ускоренной

разработки

внедрения

энергосберегающих электрических систем. Вертикально интегрированные

SPI-команды,

включающие

партнеров из

промышленности,

национальные

лаборатории

и эксплуатационные

компании,

осуществили

два серьезных проекта. Одним из них является полноразмерный прототип - сверхпроводящая трехфазная линия (Pirelli Cavi e Sistemi,

связавшая

низковольтную

трансформатора 124 кВ/24 кВ (мощность 100 МВА) с 24 кВ-шинами двух распределительных подстанций, находящихся на расстоянии 120 м (станция Фрисби компании Детройт Эдисон, г. Детройт).

Успешные испытания линии прошли

электроэнергия поступила к потребителям, «пройдя» по сверхпроводящим кабелям на основе Bi-Sr-Ca-Cu-O. Три таких

(конструкция

«теплым»

диэлектриком, причем каждый проводник был изготовлен одной длиной

заменили

при одинаковой

токонесущей

способности

кабель рассчитан на 2400 А (потери 1 Вт/м на фазу) и проложен в существующих стомиллиметровых подземных каналах. При этом, траектория прокладки имеет повороты на 90 о: кабель допускает изгиб с радиусом 0,94 м. Подчеркнем, что это первый опыт прокладки сверхпроводящего

действующей

распределительной сети, в энергетическом хозяйстве большого города. Второй

тридцатиметровая

сверхпроводящая

на 12,4 кВ/1,25 кА (60 Гц) которая была пущена в эксплуатацию 5 января 2000 г. (рабочая температура 70-80К, охлаждение

давлением).

Линия, представляющая собой три трехфазных сверхпроводящих

обеспечивает

электроэнергией три

промышленные

установки

штаб-квартире Southwire Company, в Каролтоне (штат Джорджия). Потери при передаче составляют около 0,5 % по сравнению с 5-8 %, а передаваемая мощность в 3-5 раз выше, чем при использовании традиционных кабелей того же диаметра.

праздничной

атмосфере была отмечена годовщина успешной работы линии со 100 %-ной нагрузкой в течение 5000 час. Еще три проекта стартовали в 2003 г., работы по ним находятся

начальной

интересный

включает

монтаж подземной сверхпроводящей линии на 600 МВт/138 кВ длиной около 1 км, которая будет включена в действующую

нагрузку и пройдет по существующим кабелепроводам в Ист-Гарден-Сити

Лонг-Айленде.

Необходимый

кабель будет

изготовлен

специалистами фирмы Nexans (Германия), на основе сверхпроводника, выпущенного на уже упоминавшемся заводе в Дивенсе, а криогенное оборудование

поставит

этом, Министерство энергетики США финансирует эти работы наполовину, вкладывая около 30 млн долл.; остальное обеспечивают партнеры. Данную линию планируется ввести в строй к концу 2005 г.

которого

изготовлен

трехфазный сверхпроводящий кабель, рассчитанный на 36 кВ/2 кА (конструкция

«теплым»

диэлектриком,

охлаждение жидким азотом под давлением; критический достигает 2,7 кА на одну фазу (Т=79К)). При этом особое внимание

уделялось

разработке

проводника

км ленты на основе Bi-2223), концевых устройств, а также его

подключению.

был проложен,

подстанции острова Амагер (южная часть Копенгагена), которая поставляет электроэнергию 50 тыс. потребителей, включая

осветительную

сеть (мощность выходного трансформатора 100 МВА). Тридцатиметровая сверхпроводящая линия начала функционировать 28 мая 2001 г.: сначала сверхпроводящий кабель включили параллельно с обычным, а позже он работал уже «в одиночку», причем номинальный составил 2 кА, потери - менее 1 Вт/м (рабочая температура лежала в пределах 74-84К). Кабель передает 50 % всей энергии подстанции и заменяет медные кабели с суммарным сечением жил 2000 мм 2 . К маю 2002 г. кабель эксплуатировался 1 год, находясь в захоложенном состоянии; за это время он «поставил» 101 МВт ч электроэнергии 25 тыс. датчан - владельцам частных домов. Изменения характеристик кабеля не отмечено, все криогенные системы действуют стабильно. Кроме датского, любопытен общеевропейский проект

по созданию межсистемной связи - специальной трехфазной сверхпроводящей линии длиной 200 м, которая рассчитана на 20 кВ/28 кА.

Для его реализации организован

консорциум,

Nexans (Германия),

(Франция),

(Бельгия),

специалисты

Геттингена

Тампере (Tampere University of Technology). Среди европейских изготовителей сверхпроводящих кабелей выделяется фирма Pirelli Cavi e Sistemi. Ее производственные

мощности

позволяют

выпускать

км сверхпроводника в год. Значительное событие - изготовление

двадцатиметрового

коаксиального сверхпроводящего

(конструкция

«холодным» диэлектриком), рассчитанного на 225 кВ. Pirelli совместно с американскими специалистами (Edison и CESI) участвует

созданию

тридцатиметрового кабеля-прототипа на 132 кВ/3кА (1999-2003 гг.). Переходя от кабелей к крупному электрооборудованию - трансформаторам, отметим, что из всей энергии, теряемой при передаче, на них приходится 50-65 %. Ожидается, что с внедрением сверхпроводящих трансформаторов

уменьшится

доходить

Сверхпроводящие трансформаторы смогут успешно конкурировать с обычными только при выполнении соотношения (P s /k) < P c , где Р с - потери в обычном трансформаторе, P s - потери

сверхпроводящем

трансформаторе

рабочих температурах), k - холодильный коэффициент рефрижератора. Современная технология, в частности криогеника, позволяет удовлетворить это требование. В Европе первый прототип трехфазного трансформатора (630 кВА; 18,7 кВ/420 В) на высокотемпературных сверхпроводниках был изготовлен в рамках совместного

France), American

de Geneve) и пущен в строй в марте 1997 г. - его включили в электрическую сеть Женевы, где он проработал более года,

обеспечивая

энергией

Обмотки трансформатора

выполнены

проводом

основе Bi-2223,

охлаждаемым

сердечник трансформатора находится при комнатной температуре. Потери оказались довольно высокими (3 Вт на 1 кА м), поскольку конструкция проводника не была оптимизирована для использования на переменном токе.

Второй проект тех же участников - ABB, EdF и ASС - это трансформатор на 10 МВА (63 кВ/21 кВ), который в 2001 г. прошел полный цикл лабораторных испытаний и в 2002 г. был включен во французскую энергосистему. Специалисты АВВ еще раз подчеркнули, что сейчас основной

проблемой

разработки

экономичного

сверхпроводящего оборудования, в частности трансформаторов, является наличие провода с малыми потерями и высокой

критической

плотностью

магнитном

поле, генерируемом обмотками. Провод должен, кроме того, обеспечивать токоограничивающую функцию. В Японии (Fuji Electric, KEPCO и др.) сконструировали прототип сверхпроводящего трансформатора на 1 МВА (22 кВ (45,5 А)/6,9 кВ (145 А)), который в июне 2000 г. был включен в сеть лектроэнергетической компании Kyushu. В

завершающей

находится

разработка

(Kyushu University

(Токио)) трансформатора

который предназначен

установки

электроподвижном

составе. Предварительные расчеты свидетельствуют о том, что его масса должна быть на 20 % меньше, чем у обычного трансформатора той же мощности.

В США успешно прошла демонстрация сверхпроводящего трансформатора на 1 МВА, начаты работы по

аппарату

мощностью

Waukesha Electric

and Electric, а также ORNL). Немецкие специалисты (Siemens) создали прототип трансформатора

перспективе

разработка аппаратов на 5-10 МВА) с обмотками на основе Bi-2223, который можно устанавливать на локомотивах электроподвижного

предназначенный

для обычного

трансформатора.

сверхпроводящего трансформатора на 35 % меньше, чем у обычных, а КПД достигает 99 %. Расчеты показывают, что его применение обеспечит экономию до 4 кВт на один состав и годовое снижение выбросов СО 2 на 2200 т на один состав. Сложнее обстоит дело с синхронными электрическими машинами на высокотемпературных сверхпроводниках.

Известно, что мощность обычной пропорциональна ее объему V; нетрудно показать, что мощность сверхпроводящей машины пропорциональна V 5/3 , поэтому выигрыш в снижении габаритов будет иметь место только для машин большой мощности,

например,

генераторов

корабельных

двигателей.

ожидать внедрения сверхпроводящих технологий (рис. 1).

свидетельствуют

том, что для генератора мощностью 100 МВт необходим высокотемпературный сверхпроводник, имеющий критическую плотность тока 4,5 10 4 А/см 2 в магнитном поле 5 Тл. При этом, его механические свойства, а также цена, должны быть сравнимы с Nb 3 Sn. К сожалению, пока не

существует

высокотемпературных

сверхпроводников, полностью удовлетворяющих этим условиям. С

невысокая

активность американских,

европейских

японских

данной области. Среди них - успешный демонстрационный

совместно

с Rockwell Automation/Reliance Electric (партнеры по уже упоминавшейся

синхронного

двигателя

на 746 кВт и дальнейшая разработка машины на 3730 кВт.

специалисты

конструируют

двигатель

генератор.

В Германии фирма Siemens предлагает синхронный двигатель 380 кВт на высокотемпературных сверхпроводниках.

Финляндии

испытана

четырехполюсная синхронная машина на 1,5 кВт с трековыми обмотками, выполненными проводом на основе Bi-2223; ее рабочая температура составляет 20К. Кроме того, существует ряд других применений высокотемпературных сверхпроводников в электромашиностроении.

керамику

высокотемпературных сверхпроводников можно использовать при изготовлении пассивных магнитных подшипников для небольших высокоскоростных двигателей, например, для насосов, перекачивающих сжиженные газы.

Работа одного из таких двигателей, на 12000 об/мин, недавно была продемонстрирована в Германии. В рамках совместной российско-германской программы сконструирована серия гистерезисных

двигателей

(мощностью

«деятельности»

высокотемпературных сверхпроводников - устройства, ограничивающие короткого замыкания до номинальной величины. Наиболее подходящими материалами для сверхпроводниковых ограничителей считаются керамики

причем разработки

аппаратов

основные

электротехнические

Великобритании,

Германии, Франции, Швейцарии, США, Японии и других странах. Одной из первых моделей (фирма АВВ) был ограничитель индуктивного типа на 10,5 кВ/1,2 МВА, имеющий элемент из Bi-2212, помещенный в криостат. Эта же фирма выпустила компактный прототип - ограничитель резистивного типа на 1,6 МВА, который значительно меньше первого. В ходе испытаний 13,2 кА был ограничен в первом пике до 4,3 кА. Из-за нагрева 1,4 кА ограничивается за 20 мс и 1 кА за 50 мс.

Конструкция

ограничителя

представляет

мм (масса 50 кг). В нем прорезаны каналы, что позволяет иметь

эквивалентную

сверхпроводника

м. Следующий

прототип

на 6,4 МВА. Уже сейчас возможно создание ограничителя на 10 МВА, а выпуск коммерческих ограничителей такого типа можно ожидать в ближайшее время. Следующей целью АВВ является ограничитель на 100 МВА. Специалисты фирмы Siemens опробовали индуктивные

ограничители:

трансформатор

экранированием стального сердечника сверхпроводниковой обмоткой и второй вариант - сверхпроводник выполнен в виде цилиндра, на нем намотана медная обмотка. У ограничивающего

сопротивления

омическая

индуктивная компоненты. Из-за возможных перегревов в зонах с короткого замыкания должен как можно быстрее отключаться обычным выключателем.

Возвращение

сверхпроводящее

состояние

нескольких

десятков секунд, после этого ограничитель готов к работе. В

дальнейшем

резистивный

ограничитель,

сверхпроводник включается непосредственно в сеть и быстро теряет сверхпроводимость, как только короткого замыкания

превысит

критическое

значение.

нагрева сверхпроводника механический выключатель должен разорвать

нескольких

полупериодов; охлаждение

сверхпроводниковой

приводит

к сверхпроводящему состоянию. Время возврата ограничителя составляет 1-2 с.

Однофазную модель такого ограничителя мощностью 100 кВА испытали на рабочем напряжении 6 кВ при номинальном токе 100 А. Возможный

короткого

замыкания,

кА, был ограничен до тока 300 А менее чем за 1 мс. Фирма Siemens продемонстрировала также ограничитель на 1 МВА на стенде в Берлине, причем запланировано изготовление прототипа мощностью 12 МВА. В США первый ограничитель - он имел индуктивно-электронную

разработан

компаниями General Atomic, Intermagnetics General Corp. и др. Десять лет назад в качестве демонстрационного образца был установлен ограничитель тока на испытательном стенде Norwalk энергокомпании Southern California Edison. При номинальном токе 100 А максимально возможный короткого замыкания 3 кА ограничивается до 1,79 кА. В 1999 г. сконструирован аппарат на 15 кВ с рабочим током 1,2 кА, предназначенный для ограничения тока короткого замыкания 20 кА до значения 4 кА. Во Франции специалистами компаний GEC Alsthom, Electricite de France и др. испытан ограничитель на 40 кВ: он снизил короткого замыкания с 14 кА (начальный до замыкания составлял 315 А) до 1 кА за несколько микросекунд. Остаточный короткого замыкания был отключен в течение 20 мс обычным выключателем. Варианты ограничителей разработаны на 50 и 60 Гц. В Великобритании компания VA TECH ELIN Reyrolle разработала ограничитель гибридного (резистивно-индуктивного) типа, который в ходе испытаний на стенде (11 кВ, 400 А) снижал короткого замыкания с 13 кА до 4,5 кА. При этом, время реакции ограничителя менее 5 мс, ограничивается уже первый пик; время работы ограничителя 100 мс. Ограничитель (трехфазный) содержит 144 стержня из Вi-2212, а его габариты 1 х 1,5 х 2 м.

В Японии сверхпроводящий ограничитель тока изготовлен совместно фирмами Toshiba и TEPCO - индуктивного типа, на 2,4 МВА; он содержит элемент из массивной керамики Bi-2212. Все перечисленные проекты - это прототипы «начального периода», которые призваны продемонстрировать

возможности

сверхпроводящей

технологии, ее значимость для электроэнергетики, но все же они являются

настолько

представительными,

чтобы можно

немедленного

промышленного внедрения и успешный маркетинг. Первая причина такой осторожности состоит в том, что проводники на основе Bi-Sr-Ca-Cu-O еще находятся в стадии разработки и в настоящее время изготавливаются

критической

плотностью

уровне 30 кА/см 2 длинами только около километра. Дальнейшее улучшение этих проводников (усиление пиннинга, повышение плотности жил, введение барьеров вокруг них и т.д.) должно привести к увеличению J c до 100 кА/см 2 и более.

существенное

прогресс сверхпроводящей технологии и стимулирует разработку новых

конструкций

оборудования

Определенные надежды связывают также с успехами в получении проводников со сверхпроводящим покрытием (это следующее поколение сверхпроводящих проводов), обладающих заметно более высокой J c в магнитном поле до нескольких Тл. Здесь возможно изготовление сверхпроводящих лент, способных нести токи на уровне 1 кА при разумных производственных расходах. В США эти ленты

разрабатываются

MicroCoating Technologies,

Superconductivity

Oxford Superconductor Technology.

Вторая причина кроется в том, что вопросы стандартизации проводников Bi-Sr-Ca-Cu-O и нормативная база, необходимая для их применения в области передачи и распределения электроэнергии, недостаточно проработаны. Как правило, стандарты содержат руководство по проведению механических, тепловых и электрических

испытаний

материалов

оборудования.

Поскольку сверхпроводящие устройства нуждаются в криогенных системах, то их тоже необходимо специфицировать. Таким образом, до внедрения сверхпроводимости в электроэнергетику требуется создать целую систему стандартов: они должны гарантировать высокую надежность всей сверхпроводящей продукции (рис. 2).

предпринимается

мероприятий

в этом направлении. Семь групп специалистов из четырех европейских стран объединены в совместный проект Q-SECRETS (он субсидируется ЕС) по мониторингу качества

сверхпроводников

эффективных,

компактных

высоконадежных

электропередачи.

Одна из основных целей проекта - помощь в создании

расширении

«сверхпроводящего»

на рынке передачи и распределения электроэнергии. В

заключение

отметить,

несмотря

на большие

потенциальные

возможности

применения высокотемпературных

сверхпроводников

электроэнергетике, потребуются значительные усилия исследователей и разработчиков, чтобы сделать сверхпроводящую продукцию жизнеспособной в условиях современной рыночной экономики. В то же время, оценки на близкое будущее дают повод для оптимизма.

И обсуждение под ним. Учитывая, что сегодня же я был на производстве сверхпроводящих кабелей, хотел вставить пару замечаний, но read-only… В итоге решил написать небольшую статью про высокотемпературные сверхпроводники.

Для начала, на всякий случай, хочется отметить, что сам термин «высокотемпературный сверхпроводник» означает сверхпроводники с критической температурой выше 77 К (-196 °C) - температуры кипения дешёвого жидкого азота. Не редко к ним относят и сверхпроводники с критической температурой около 35 К, т.к. такую температуру имел первый сверхпроводящий купрат La 2-x Ba x CuO 4 (вещество переменного состава, отсюда и x). Т.е. «высокие» температуры тут пока ещё очень низкие.

Основное распространение получило два высокотемпературных сверхпроводника - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) и Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Также применяются схожие с YBCO материалы, в которых иттрий заменён иным редкоземельным элементом, например гадолинием, их общее обозначение - ReBCO.
Выпускаемые YBCO, да и другие ReBCO, имеют критическую температуру на уровне 90-95 К. Выпускаемые BSCCO достигают критической температуры в 108 К.

Кроме высокой критической температуры, ReBCO и BSCCO отличаются большими значениями критического магнитного поля (в жидком гелии - более 100 Тл) и критического тока. Впрочем, с последним всё не так просто…

В сверхпроводнике электроны движутся не независимо, а парами (Куперовскими парами). Если мы хотим, чтобы ток перешёл из одного сверхпроводника в другой, то зазор между ними должен быть меньше характерного размера этой пары. Для металлов и сплавов этот размер составляет десятки, а то и сотни нанометров. А вот в YBCO и BSCCO он составляет лишь пару нанометров и доли нанометра, в зависимости от направления движения. Даже зазоры между отельными зёрнами поликристалла оказываются уже вполне ощутимым препятствием, не говоря уж о зазорах между отдельными двумя кусами сверхпроводника. В результате сверхпроводящая керамика, если не предпринимать специальных ухищрений, способна пропускать через себя лишь относительно небольшой ток.

Проще всего проблему оказалось решить в BSCCO: его зёрна естественным образом имеют ровные края, а самое простое механическое сжатие позволяет эти зёрна упорядочить для получения высокого значения критического тока. Это позволило достаточно быстро и просто создать первое поколение высокотемпературных сверхпроводящих кабелей, а точнее - высокотемпературных сверхпроводящих лент. Они представляют собой серебряную матрицу, в которой есть множество тонких трубочек, заполненных BSCCO. Эту матрицу расплющивают, при этом зёрна сверхпроводника приобретают нужный порядок. Получаем тонкую гибкую ленту, содержащую множество отдельных плоских сверхпроводящих жил.

Увы, BSCCO материал далеко не идеальный: у него критический ток очень быстро падает с ростом внешнего магнитного поля. Критическое магнитное поле у него достаточно велико, но задолго до достижения этого предела, он теряет способность пропускать сколько-нибудь большие токи. Это очень сильно ограничивало применение высокотемпературных сверхпроводящих лент, заменить старые добрые сплавы ниобий-титан и ниобий-олово, работающие в жидком гелии, они не могли.

Совсем другое дело - ReBCO. Но создать в нём правильную ориентацию зёрен весьма тяжело. Лишь относительно недавно научились делать сверхпроводящие ленты на основе этого материала. Такие ленты, называемые вторым поколением, получают напылением сверхпроводящего материала на подложку, имеющую специальную текстуру, задающую направление роста кристаллов. Текстура, как не сложно догадаться, имеет нанометровые размеры, так что это настоящие нанотехнологии. В московской и, что характерно, не имеющей отношения к Сколково компании «СуперОкс», в которой я собственно и был, для получения такой структуры на металлическую подложку напыляют пять промежуточных слоёв, один из которых одновременно с напылением распыляется потоком быстрых ионов, падающих под определённым углом. В результате кристаллы этого слоя растут только в одном направлении, в котором ионам сложнее всего их распылять. Другие производители, а их в мире четыре, могут использовать иные технологии. Кстати, отечественные ленты используют гадолиний вместо иттрия, он оказался технологичнее.

Сверхпроводящие ленты второго поколения шириной 12 мм и толщиной 0,1 мм в жидком азоте при отсутствии внешнего магнитного поля пропускают ток до 500 А. Во внешнем магнитном поле 1 Тл критический ток всё ещё доходит до 100 А, а при 5 Тл - до 5 А. Если охладить ленту до температуры жидкого водорода (ниобиевые сплавы при такой температуре ещё даже не переходят в сверхпроводящее состояние), то та же лента сможет пропустить 500 А в поле 8 Тл, а «какие-нибудь» 200-300 А - в поле на уровне пары десятков тесла (лягушка летает). Про жидкий гелий и говорить не приходится: есть проекты магнитов на этих лентах с полем на уровне 100 Тл! Правда тут уже в полный рост возникает проблема механической прочности: магнитное поле всегда стремится разорвать электромагнит, но когда это поле достигает десятков тесла, его стремления легко реализуются…

Впрочем, все эти прекрасные технологии не решают проблемы соединения двух кусков сверхпроводника: хоть кристаллы и ориентированны в одном направлении, о полировке внешней поверхности до субнанометрового размера шероховатостей речи не идёт. У американцев есть технология спекания отдельных лент друг с другом, но она ещё, мягко говоря, далека от совершенства. Обычно ленты соединяют друг с другом обычной пайкой обычным оловянно-свинцовым припоем или иным классическим способом. Разумеется, при этом на контакте появляется конечное сопротивление, так что создать из таких лент сверхпроводящий магнит, не требующий питания на протяжении многих лет, да и просто ЛЭП с в точности нулевыми потерями не получается. Но сопротивление контакта составляет малые доли микроома, так что даже при 500 А токе там выделяются лишь доли милливатта.

Разумеется, в научно-популярной статье читатель ищет по-больше зрелищности… Вот несколько видео моих экспериментов с высокотемпературной сверхпроводящей лентой второго поколения:

Последнее видео записал под впечатлением от комментария на YouTube, в котором автор доказывал, что сверхпроводимости не существует, а левитация магнита - совершенно самостоятельный эффект, предлагал всем желающим убедиться в его правоте, измерив непосредственно сопротивление. Как видим, сверхпроводимость всё-таки существует.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Высокотемпературные сверхпроводники (Высокие T c) - семейство материалов (сверхпроводящих керамик) с общей структурной особенностью, относительно хорошо разделёнными медно-кислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников. В настоящее время рекордным значеним критической температуры T c =135 K (под давлением T c =165 K, -109 °C) обладает вещество HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+x , открытое в 1993 г. С. Н. Путилиным и Е. В. Антиповым из МГУ. Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ . Последовательной теории сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко многим экспериментальным и теоретическим результатам, и интерес в этой области - не только в достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. Первое соединение из класса высокотемпературных сверхпроводящих купратов La 2-x Ba x CuO 4 открыли Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 г. За это открытие в 1987 г. им была немедленно присуждена Нобелевская премия .

Интерметаллиды

В 2001 году открыт сплав 2 (диборид магния) с рекордной для интерметаллидов температурой перехода в сверхпроводящее состояние Т с = 40 К. Кристаллическая структура этого вещества представляет собой чередующиеся слои бора и слои магния. Слоистость приводит к анизотропии физических свойств, т.е. величины электрической проводимости, оптического спектра поглощения, прочности и т.д. различны в плоскости слоёв и в направлении перпендикулярном слоям. Это двухзонное соединение стало первым известным науке сверхпроводником, обладающим сразу двумя сверхпроводящими щелями (двухщелевая сверхпроводимость), что было предсказано теоретически и подтверждено экспериментально. В дырочных квазидвумерных зонах бора (σ-зонах) при переходе в сверхпроводящее состояние в спектре квазичастиц образуется щель Δ σ (зона запрещённых энергий для одиночных электронов и дырок) со значениями примерно (10-11) мэВ при максимальных Т с. В трёхмерных зонах магния (π-зонах) также образуется сверхпроводящая щель Δ π с амплитудой примерно (1,5 - 3) мэВ. Таким образом, в сверхпроводящем 2 сосуществуют два сверхпроводящих конденсата: изотропный трёхмерный (от π-зон магния) и двумерный дырочный (локализованный в слоях бора).

Внесение примесей других атомов в 2 , т.е. допирование, приводит к понижению критической температуры перехода Т с. Судя по всему, это соединение имеет оптимизированные для сверхпроводимости характеристики от природы и не поддаётся искусственному "улучшению". При понижении Т с от 40 К до 10 К величина малой щели Δ π меняется слабо, а значение большой щели Δ σ понижается вместе с критической температурой, экспериментаторы отмечают линейную связь между Т с и Δ σ . Характеристическое отношение теории БКШ 2Δ σ /k B Т с по оценкам ведущих российских экспериментаторов находится в диапазоне 5-7, что говорит о сильном электрон-фононном взаимодействии в слоях бора и приближает 2 к купратным ВТСП.

Сверхпроводящие пниктиды и селениды

В 2008 году произошло замечательное открытие нового класса сверхпроводящих соединений с высокими значениями критической температуры T c - слоистых соединений на основе железа и элементов V группы (пниктидов) либо , т. н. ферропниктидов или селенидов железа. Впервые было констатировано сверхпроводящее состояние у соединений, содержащих магнитные атомы (). Кристаллическая структура всех железосодержащих сверхпроводников (уже известно 6 семейств) представляет собой чередующиеся слои, в которых атомы железа окружены тетраэдром из атомов или , что подавляет магнитные свойства атомов . На данный момент рекордсменом по значению T c является соединение GdOFeAs (Gd-1111), допированное фтором, который замещает кислород. Его T c достигает 55 К.

Все железосодержащие сверхпроводники обладают многозонной структурой и квазидвумерны (проявляют анизотропию свойств в направлении поперёк плоскостей). При переходе в сверхпроводящее состояние в каждой зоне открывается собственная щель в квазичастичном спектре, что приводит к появлению как минимум двух сверхпроводящих конденсатов и многощелевой сверхпроводимости, подобной случаю 2 (диборида магния). Характеристическое отношение теории БКШ 2Δ большая /k B Т с по оценкам российских экспериментаторов находится в диапазоне 4,6 - 6.

Органические сверхпроводники

В конце 60-х - начале 70-х гг были большие надежды на синтез органических комплексов с переносом заряда (КПЗ) - например, комплексов en:TCNQ -TTF (тетрацианохинодиметан-тетратиафульвален). Однако, несмотря на синтез ряда перспективных соединений, оказалось, что сверхпроводимость в этих комплексах неустойчива даже при небольших плотностях тока.

Примечания

Ссылки

В этой статье не хватает ссылок на источники информации.

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 13 мая 2011 .

Wikimedia Foundation . 2010 .

Вах (междометие)
Петропавловский мост

Смотреть что такое "Высокотемпературная сверхпроводимость" в других словарях:

высокотемпературная сверхпроводимость - сверхпроводимость при высокой температуре — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом Синонимы сверхпроводимость при высокой температуре EN high temperature superconductivity … Справочник технического переводчика

Сверхпроводимость - Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом Сверхпроводимость свойство некоторых мате … Википедия

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ КЕРАМИКА - (ВТСП керамика), керамика (см. КЕРАМИКА), созданная на основе оксидных высокотемпературных сверхпроводников (см. ОКСИДНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ). Впервые сверхпроводящая керамика была получена в 1986 Й. Беднорцем (см. БЕДНОРЦ Йоханнес Георг) и К.… … Энциклопедический словарь

ВТСП - высокотемпературная сверхпроводимость … Словарь сокращений русского языка

Список новых перспективных технологий - содержит некоторые из самых выдающихся текущих событий, достижений и инноваций в различных областях современной технологии. Новые технологии это те технические нововведения, которые представляют прогрессивные изменения в рамках области… … Википедия

Теллур - 52 Сурьма ← Теллур → Иод … Википедия

Теллур / Tellurium (Te) Атомный номер 52 Внешний вид простого вещества Свойства атома Атомная масса (молярная масса) 127,6 а. е. м. (г/моль) … Википедия

ОКСИДНЫЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ - оксидные соединения с высокой критич. темп рой Т с переходав сверхпроводящее состояние. Обнаружение сверхпроводимости в этихсоединениях (1986 88) существенно повысило уровень известных значений Т с от 24К в Nb3Ge до 120Кв Т12 Ва 2 Са 2 Сu3 О… … Физическая энциклопедия

Сегодня увидел и обсуждение под ним. Учитывая, что сегодня же я был на производстве сверхпроводящих кабелей, хотел вставить пару замечаний, но read-only… В итоге решил написать небольшую статью про высокотемпературные сверхпроводники.

Для начала, на всякий случай, хочется отметить, что сам термин «высокотемпературный сверхпроводник» означает сверхпроводники с критической температурой выше 77 К (-196 °C) - температуры кипения дешёвого жидкого азота. Не редко к ним относят и сверхпроводники с критической температурой около 35 К, т.к. такую температуру имел первый сверхпроводящий купрат La 2-x Ba x CuO 4 (вещество переменного состава, отсюда и x). Т.е. «высокие» температуры тут пока ещё очень низкие.

В сверхпроводнике электроны движутся не независимо, а парами (Куперовскими парами). Если мы хотим, чтобы ток перешёл из одного сверхпроводника в другой, то зазор между ними должен быть меньше характерного размера этой пары. Для металлов и сплавов этот размер составляет десятки, а то и сотни нанометров. А вот в YBCO и BSCCO он составляет лишь пару нанометров и доли нанометра, в зависимости от направления движения. Даже зазоры между отельными зёрнами поликристалла оказываются уже вполне ощутимым препятствием, не говоря уж о зазорах между отдельными кусками сверхпроводника. В результате сверхпроводящая керамика, если не предпринимать специальных ухищрений, способна пропускать через себя лишь относительно небольшой ток.

Совсем другое дело - ReBCO. Но создать в нём правильную ориентацию зёрен весьма тяжело. Лишь относительно недавно научились делать сверхпроводящие ленты на основе этого материала. Такие ленты, называемые вторым поколением, получают напылением сверхпроводящего материала на подложку, имеющую специальную текстуру, задающую направление роста кристаллов. Текстура, как не сложно догадаться, имеет нанометровые размеры, так что это настоящие нанотехнологии. В московской компании «СуперОкс», в которой я собственно и был, для получения такой структуры на металлическую подложку напыляют пять промежуточных слоёв, один из которых одновременно с напылением распыляется потоком быстрых ионов, падающих под определённым углом. В результате кристаллы этого слоя растут только в одном направлении, в котором ионам сложнее всего их распылять. Другие производители, а их в мире четыре, могут использовать иные технологии. Кстати, отечественные ленты используют гадолиний вместо иттрия, он оказался технологичнее.

Впрочем, все эти прекрасные технологии не решают проблемы соединения двух кусков сверхпроводника: хоть кристаллы и ориентированны в одном направлении, о полировке внешней поверхности до субнанометрового размера шероховатостей речи не идёт. У корейцев есть технология спекания отдельных лент друг с другом, но она ещё, мягко говоря, далека от совершенства. Обычно ленты соединяют друг с другом обычной пайкой обычным оловянно-свинцовым припоем или иным классическим способом. Разумеется, при этом на контакте появляется конечное сопротивление, так что создать из таких лент сверхпроводящий магнит, не требующий питания на протяжении многих лет, да и просто ЛЭП с в точности нулевыми потерями не получается. Но сопротивление контакта составляет малые доли микроома, так что даже при 500 А токе там выделяются лишь доли милливатта.

Сверхпроводимость представляет собой квантовое явление, проявляющееся в макроскопических масштабах. Сверхпроводимость возникает при охлаждении некоторых веществ до определенной для данного вещества критической температуры, при которой вещество скачкообразно переходит в особое сверхпроводящее состояние. Фундаментальной особенностью сверхпроводников является полное отсутствие электрического сопротивления.

Данное явление было открыто в 1911 году Х. Камерлинг-Оннесом. Сверхпроводимость можно наблюдать в следующем опыте. Металлическое кольцо помещается в магнитное поле В при температуре выше критической T c . Затем температура понижается до значений Т < T с. После этого поле В выключают. По закону электромагнитной индукции изменение магнитного поля вызывает в образце появление тока. Вследствие того, что в образце отсутствует сопротивление, ток может циркулировать бесконечно долго.

Если при температурах Т< T 0 увеличить индукцию В магнитного поля, то при некотором критическом значении В кр, которое называется критическим магнитным полем, сверхпроводящее состояние нарушается. Согласно современным представлениям сверхпроводящее и нормальное состояния представляет собой две фазы вещества, которые могут переходить друг в друга (рис.1).

Рис. 1.

Второе фундаментальное свойство сверхпроводников заключается в эффекте Мейснера, т.е. сверхпроводники становятся идеальными диамагнетиками и выталкивают внешнее магнитное поле. В отличие от них идеальные проводники с сопротивлением должны захватывать магнитный поток. На приведенном ниже рисунке 2 показано поведение сверхпроводящего шара и проводника с сопротивлением при различных температурах и внешних магнитных полях. На рис2. рассмотрены случаи:2а) Т>Т к, 2б) Т<Т к, внешнее магнитное поле не равно нулю 2в) Т<Т к, внешнее магнитное поле равно нулю

Рис.2

Эффект Мейснера связан с тем, что в приповерхностном слое, толщиной около 10 –6 см начинает циркулировать постоянный ток, сила которого такова, что созданное им поле компенсирует внешнее поле в толще сверхпроводника.

Различают сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники I рода переходят в нормальное состояние скачкообразно, а проводники второго рода переходят в нормальное состояние постепенно. На приведенном рисунке показана зависимость намагниченности М от индукции В внешнего магнитного поля. Начальные кривые от 0 до критического значения В с у сверхпроводников I и II рода одинаковы. Они соответствуют эффекту Мейснера. Сверхпроводники I рода (рис.а) при критическом значении магнитного поля скачкообразно переходят в нормальное состояние, при этом их намагниченность резко уменьшается.

Сверхпроводники II рода (рис.б) при критическом значении магнитного поля начинают плавно переходить в нормальное состояние, при этом их намагниченность уменьшается плавно.

До 80-х годов самая высокая критическая температура у сверхпроводников имела значение 23 К.

В 1986 году были открыты сверхпроводники с критическими температурами 35 К. Сейчас открыты материалы с критическими температурами 135 К. До этих открытий в качестве охлаждающего вещества применялся жидкий гелий (температура кипения при нормальном давлении 4,2 К). После открытия сверхпроводников с критическими температурами, превосходящими 77,3 К(температура кипения азота) стали применять в качестве охлаждающего вещества более дешевый и доступный азот. Соответственно о низкотемпературных сверхпроводниках стали говорить как о сверхпроводниках гелиевого уровня температур, а о высокотемпературные сверхпроводники назвали сверхпроводниками азотного уровня температур.

К пониманию природы низкотемпературной сверхпроводимости привели два экспериментальных факта.

1. Металлы, являющиеся при комнатных температурах хорошими проводниками (серебро, медь) не обладают свойством сверхпроводимости. Плохие проводники (ртуть) при низких температурах становятся сверхпроводниками. Хорошая проводимость серебра и меди указывает на слабое взаимодействие электронов с кристаллической решеткой. Наоборот, в ртути электроны взаимодействуют с решеткой более интенсивно.

2. Для большинства сверхпроводников выполняется соотношение , где М – масса атома изотопа. Явление получило название изотопический эффект. Это соотношение указывало на взаимодействие электронов с ионами кристаллической решетки.

Качественно явление низкотемпературной сверхпроводимости может быть описано следующим образом. Электрическое поле движущегося электрона воздействует на кристаллическую решетку, деформируя (поляризуя) её. При этом электрон оказывается в окружении положительного облака заряда узла кристаллической решетки. Если суммарный заряд области электрона и поляризованного иона окажется положительным, то эта область может притянуть другой электрон. При этом через взаимодействие с положительным узлом кристаллической решетки в пару объединяются электроны, имеющие противоположно ориентированные спины и импульсы. Такая пара называется куперовской парой по фамилии ученого Л. Купера, разработавшего эту теорию. Куперовская пара имеет спин, равный 0, она подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна. Поэтому при низких температурах превращение в куперовские пары носит массовый характер. Каждый электрон с импульсом может вступить во взаимодействие лишь с таким электроном, импульс которого равен . Состояния электронов в кристалле постоянно меняются, поэтому постоянно изменяются и наборы пар. Этот процесс обеспечивает связь между всеми куперовскими парами. Такую совокупность куперовских пар можно рассматривать как бозе-конденсат.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости стало неожиданностью для теоретической физики, т.к. теория низкотемпературной сверхпроводимости не давала высоких значений критических температур.

Среди высокотемпературных сверхпроводников особую группу составляют купраты – соединения со сложной слоистой структурой. Кристалл купрата можно образно сравнить с "сэндвичем" из различных элементов. В.Л. Гинзбургом была рассмотрена модель сверхпроводника, состоящего из металлической пленки, расположенной между слоями диэлектрика или полупроводника. Электроны этих слоев отталкиваются электронами металла, вследствие чего вокруг последних возникает облако положительного заряда, что способствует образованию куперовских пар. По оценкам В.Л. Гинзбурга такая модель допускает существование критических температур до 200 К.

К настоящему времени хорошо разработанной теории высокотемпературной сверхпроводимости не существует.

Сверхпроводники используются в различных устройствах и приборах. Из сверхпроводниковых изделий гелиевого уровня температур используются томографы, сепараторы и накопители энергии. Сверхпроводящие томографы обеспечивают более высокое качество диагностики внутренних органов, сепараторы применяются для обогащения руд, накопители обеспечивают запас энергии порядка нескольких киловатт-часов.

Замена жидкого гелия на азот в качестве охлаждающего вещества в сотни раз сокращает расходы на создание установок.

Замена обычных проводников на высокотемпературные сверхпроводники значительно уменьшает их вес, существенно увеличивает время эксплуатации. В настоящее время они применяются в системах спутниковой и сотовой связи, прецизионной аппаратуре, измеряющей ничтожно малые токи, изменения магнитных потоков.

В цифровой сверхпроводниковой электронике создаются устройства с большим числом элементов на одном чипе.

Между сверхпроводящим кольцом и магнитом возникает отталкивание. Это явление может применяться в моторах, гироскопах. Во многих странах разрабатываются проекты поездов на магнитной подушке. По сверхпроводнику монорельсу попускается электрический ток. В вагонах поезда размещаются сверхпроводящие магниты. Вагоны зависают над рельсом. Такой поезд развивает скорость, сравнимую со скоростью самолета.