Вариант 14 сверхпроводники используют. Применение сверхпроводников. III. Применение сверхпроводников в современном мире
Сегодня большое внимание уделяется исследованию и разработке конструкций, использующих сверхпроводниковые материалы, которые дают возможность по-новому подойти к вопросам создания электротехнических устройств.
Увеличение плотности тока, повышение удельной мощности, а также наличие особых, присущих только сверхпроводникам, физических свойств создают предпосылки для разработки высокоэффективных видов электроэнергетического оборудования.
Одной из основных технологий, позволяющих удовлетворить возрастающие потребности электроэнергетики, является использование явления сверхпроводимости, то есть состояния некоторых материалов, обладающих нулевым сопротивлением при их охлаждении ниже критических температур Тк. Различаются как низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) с максимальной Тк около 20 К (-257 °С), эксплуатируемые при температурах жидкого гелия (-268,95 °C), так и высокотемпературные (ВТСП) с Тк до 138 К (-135 °С), эксплуатируемые вблизи температуры жидкого азота 77,4 К (-195,75 °C).
Положение со сверхпроводниковой технологией радикальным образом изменилось после открытия в конце 80-х годов ВТСП-материалов с более высокими возможными рабочими температурами, вплоть до температуры кипения жидкого азота. Это позволило, наряду с упрощением криогенной техники, создать предпосылки для преодоления коммерческого барьера по отношению к традиционным технологиям при использовании технологий на основе ВТСП-материалов в электроэнергетике и других областях промышленности.
Применение СП-оборудования и технологий в электроэнергетике обеспечивает многие преимущества:
- сокращение потерь электроэнергии примерно в два раза;
- снижение массогабаритных показателей оборудования в два-четыре раза;
- повышение надежности и продление срока эксплуатации электрооборудования за счет снижения старения изоляции;
- повышение надежности и устойчивости работы энергосистем;
- повышение качества электроэнергии, поставляемой потребителям;
- повышение уровня пожарной и экологической безопасности электроэнергетики;
- создание принципиально новых систем энергетики.
Особый эффект в электроэнергетике СП-технологии могут дать при их применении в системах электроснабжения мегаполисов и крупных городов.
Рассмотрим лидирующие на сегодняшний день направления по применению СП-электрооборудования и технологий в электроэнергетических системах.
Не имеющие аналогов
Основным преимуществом кабелей из ВТСП-материалов перед обычными маслонаполненными кабелями или кабелями со сшитым полиэтиленом является их высокая пропускная способность при малом сечении, низкие потери энергии, а также пожарная и экологическая безопасность.
Прежде всего, создание сверхпроводникового кабеля на большие токи позволит эффективно решить проблему глубоких вводов мощности в крупные города, а также выдачу мощности от крупных электростанций, расположенных в трудных географических условиях. А в таких мегаполисах, как Москва, с целью снижения потерь распределение электроэнергии внутри города происходит на напряжении 110 кВ с последующим понижением до 10 кВ и 0,4 кВ. Минимальные потери в ВТСП- кабелях при их повышенной токонесущей способности могут позволить исключить промежуточную ступень трансформации на напряжение 110 кВ и перевести распределение электроэнергии в городе сразу на напряжение 10-20 кВ при значительном снижении стоимости подстанций.
В настоящее время в мире эксплуатируется около 10 коротких ВТСП - кабельных линий и ведутся работы более чем по 10 крупным проектам в этой области. Крупнейший проект в США: 650 м, 138 кВ, 2,4 кА, 574 МВА. Сейчас идет установка и подготовка к эксплуатации. Американцами разработан проект создания не отдельной кабельной линии, а целой сети в одном из центральных районов Нью-Йорка.
ВТСП - ограничитель токов короткого замыкания (ВТСП ТО) представляет собой токоограничивающее устройство, включаемое в защищаемую часть сети. Основное преимущество ВТСП ТО заключается в его возможности иметь существенное низкое сопротивление по сравнению с эксплуатируемыми токоограничительными реакторами в нормальном режиме и практически безынерционно увеличивать его до требуемой величины при коротком замыкании. Это позволяет использовать ВТСП ТО в сетях с целью снижения ударных значений токов короткого замыкания (КЗ), координации токов КЗ с отключающей способностью коммутационной аппаратуры. Уникальные свойства сверхпроводящих материалов позволяют создать ограничители токов КЗ, не имеющие аналогов среди традиционных электротехнических устройств . Токоограничители позволяют также продлить срок службы коммутационной аппаратуры.
В настоящее время реализовано несколько опытно-промышленных проектов ВТСП ТО на напряжения до 20 кВ и на мощности порядка 10-15 МВА. Начаты разработки ВТСП ТО на напряжение 110-138 кВ (США, Евросоюз).
Ожидается, что при создании коммерчески выгодных ВТСП ТО (2010-2012 гг.) рынок их применения будет достаточно емким.
ВТСП-трансформаторы могут быть совместимы с существующим оборудованием электрических сетей и их защитными устройствами. Нагрузочные потери в ВТСП-трансформаторах при нормальном токе могут быть уменьшены на 80-90% по сравнению с традиционными. Замена масла жидким азотом и уменьшенные размеры позволят повысить экологическую и пожарную безопасность и устанавливать такие трансформаторы в помещениях. Уменьшение массы облегчает условия транспортирования, особенно для больших трансформаторов, включая охлаждающее устройство, а также снизит материалоемкость.
ВТСП-трансформаторы обладают также рядом других привлекательных свойств, например пониженным значением реактанса трансформатора (25% от традиционных). Это положительно влияет на условия устойчивости электроэнергетических систем и увеличивает возможности по регулированию реактивной мощности. ВТСП-трансформаторы обладают также токоограничивающей способностью. Созданы опытные образцы ВТСП-трансформаторов напряжением 20 кВ мощностью до 10 МВА. Ожидаемое коммерческое использование ВТСП трансформаторов - 2010-2012 гг.
Революция не за горами
Крупным достижением в области нанотехнологий стало создание ВТСП-проводников второго поколения (сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии -СПИНЭ). Это, каки совершенствование криогенной техники, позволяет надеяться на существенное снижение затрат на создание систем хранения электроэнергии, что может внести революционные изменения в конструкции и условия эксплуатации энергосистем . СПИНЭ могут находить применение в электроэнергетике как одно из эффективных средств повышения режимной надежности и устойчивости электроэнергетических систем. При этом выделяются такие свойства индуктивных накопителей, как быстродействие, высокий КПД, возможность полной автоматизации ввода и вывода энергии, большая удельная энергоемкость, регулирование активной и реактивной мощности. Ожидается, что к 2016-2020 гг. будут созданы недорогие системы хранения энергии достаточной энергоемкости. Перспективны СПИНЭ и как источники питания мощных импульсных устройств.
ВТСП-генераторы и синхронные компенсаторы обладают, по сравнению с традиционными, повышенным значением КПД, пониженными в 2-3 раза массогабаритными показателями, возможностью создания высоковольтных машин (без трансформаторов на напряжение 110-220 кВ и выше), возможностью создания машин большой мощности (свыше 1000 МВт).
Сверхпроводящие генераторы и компенсаторы имеют уменьшенные массогабаритные характеристики, высокую синусоидальность выходного напряжения, уменьшенные величины реактивностей и расширенные пределы регулирования реактивной мощности в области потребления, возможность создания машин с повышенным уровнем переменного напряжения.
В настоящее время созданы опытные образцы ВТСП-генераторов мощностью 50 МВА (США), ВТСП - синхронный компенсатор мощностью 8 МВА (США). Ожидается, что с 2015 года ВТСП-генераторы и синхронные компенсаторы станут коммерческим продуктом . В подобном положении по проработанности технологии и началу коммерческого завоевания рынка находятся ВТСП-электродвигатели различного назначения. Еще в 2007 году по инициативе РАО «ЕЭС России» на основе предложений ОАО НТЦ «Электроэнергетики» и РНЦ «Курчатовский институт» была разработана и утверждена Комплексная программа по созданию ВТСП оборудования и технологий его применения в электроэнергетике со сроком ее исполнения до 2015 года. Цель программы - реализовать на базе ВТСП принципиально новую технологическую основу для российской электроэнергетики, существенно повышающую надежность и экономичность ее функционирования.
Реализация этой программы позволит проверить в условиях эксплуатации все основные виды ВТСП - электротехнического оборудования: кабельные линии электропередачи переменного и постоянного тока, устройства для ограничения токов короткого замыкания, трансформаторы, накопители энергии, генераторы, электродвигатели, синхронные компенсаторы. Для реализации Программы был создан Координационный совет, в который вошли представители РАО «ЕЭС России», Минпромэнерго РФ, Минобрнауки РФ, ОАО «Корпорация Атомэнерго», РАН, ведущие специалисты РНЦ «Курчатовский институт» и других научно-исследовательских институтов России.
Важнейшим направлением технологического развития систем энергоснабжения мегаполисов является создание высокоамперных линий. Объективно существуют две основные возможности повышения мощности передающих линий - повышение напряжения и повышение номинального рабочего тока.
Традиционный базовый уровень номинального напряжения распределительных сетей в России - 10 кВ представляется недостаточным и требует постепенного перехода на напряжение 20-35 кВ, что уже неоднократно отмечалось в литературе и во многих случаях реализовано на практике.
Повышение номинального рабочего тока за счет оптимизации выбираемых материалов, контактных соединений, самой конструкции высоковольтных устройств для электрических сетей в принципе давно уже реализовано в таком «гигаполисе», как Япония. В этой стране номинальные рабочие токи, как правило, составляют 6-8 кА. Такая техническая политика, несомненно, представляет интерес и для других стран, где число мегаполисов растет.
Поскольку плотность электропотребления в мегаполисах в последние годы резко возрастает, и Москва здесь уже в первом ряду, наиболее эффективным и кардинальным решением по увеличению рабочих токов передающих линий является применение сверхпроводящих кабелей, где рабочий ток при тех же радиальных габаритах токоведущей жилы может быть увеличен почти на порядок.
Появление же в 2002-2003 гг. высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения резко активизировало работы по практическому применению этих технологий. Реальным препятствием для широкого практического применения сверхпроводящих кабелей, ограничителей тока, трансформаторов сегодня является лишь технологическая отработка производства лент сверхпроводников, их соединений, обеспечение стабильности их свойств, а также пока высокая стоимость сверхпроводниковых материалов.
Проведенный анализ эффективности ВТСП-кабелей показывает, что с учетом затрат на прокладку, эти кабели будут дешевле традиционных, медных уже к 2010 году при мощности более 70-100 МВт.
В 2004-2007 гг. были реализованы и продолжают выполняться несколько коммерческих проектов сверхпроводящих кабелей: SUMITOMO ELECTRIC завершила длительные испытания трехжильного сверхпроводящего кабеля на напряжение 66 кВ, номинальный ток 1 кА длиной 100 м, а также заключила контракт с Южной Кореей (KEPRI) на разработку, изготовление и поставку сверхпроводящего кабеля 22,9 кВ, 1,25 кА длиной 100 м. В США реализуется проект DOE/NYSERDA по установке в промышленную эксплуатацию кабеля 34,5 кВ, ток 800 А длиной 350 м в районе Гудзона и т. д. Эксперты оценивают начало массового применения сверхпроводящих кабелей в 2010-2015 гг.
В России (ОАО «НТЦ электроэнергетики», ОАО «ВНИИКП») разработан и подготовлен к испытаниям образец ВТСП-кабеля на напряжение 20 кВ, 1 500 А. В 2009 году планируется установка ВТСП-кабеля 20 кВ, 2 000 А длиной 200 метров на одном из объектов в г. Москве.
Другими многообещающими направлениями применения ВТСП- технологий являются сверхпроводящие ограничители тока и трансформаторы. В сверхпроводящих ограничителях тока может быть реализовано свойство сверхпроводников переходить из сверхпроводящего состояния в обычное. Таким образом, при возникновении тока короткого замыкания резкое возрастание сопротивления сверхпроводника приведет к ограничению величины тока КЗ. ВТСП-трансформатор имеет потенциально больше преимуществ перед стандартным: малые габариты, высокий КПД, пожаро- и взрывобезопастность, благодаря наличию жидкого азота вместо масла. Кроме того ВТСП-трансформатор - экологически чистое изделие.
Несомненный интерес представляет использование ВТСП-технологий и в генераторах, поскольку значительно снижаются размеры этого оборудования, как и потери в них. Здесь, однако, предстоит решить ряд проблем, связанных с их регулированием при работе в современных энергосистемах.
Создание высокоамперных линий электропередачи связано с освоением производства кабелей, ограничителей тока, трансформаторов, использующих явление высокотемпературной сверхпроводимости. В настоящее время в мире реализован ряд пилотных проектов ВТСП-кабелей, причем начало массового применения ВТСП-кабелей ожидается в 2010-2020 гг.
Идея высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в органических соединениях была выдвинута в 1950г. Ф.Лондоном и лишь 14 лет спустя появился отклик на эту идею в работах американского физика В.Литтла, вызвавший критические отзывы, отрицающие возможность ВТСП в неметаллических системах. Таким образом, хотя идея ВТСП родилась ы работе Ф. Лондона в 1950г., годом рождения проблемы следует считать время появления первых, пока, правда, малочисленных потоков информации по ВТСП - 1964г.. Если рассмотреть эволюцию температуры сверхпроводящего перехода, то станет ясно, что рост температуры сверхпроводящего перехода приводил к возможности использования хладагентов со все более высокой температурой кипения (жидкий гелий, водород, неон, азот). Хотя до азотных температур перехода, открытых недавно в металлокерамиках, практически использовался для охлаждения жидкий гелий, однако скачки в росте температуры перехода дают право положить их в основу периодизации ВТСП о гелиевом, водородном, неоновом и, наконец, азотном периодах ВТСП. Так Nb 3 Sn сменился Nb - Al - Ge, затем наибольшая температура была обнаружена d 1973-81гг. у Nb 3 Ge (23,9 K), которая оставалась рекордной вплоть до сверхпроводимости металлокерамиками. La - Sr - Cu - O при 30 К в 86г., вырастая до 100 К на материале I - Ba - Cu - O.
Ключевым для проблемы ВТСП является вопрос критической температуры от характеристики вещества. С открытием в 86 нового класса сверхпроводящих материалов с более высокими, чем ранее критическими температурами, во всем мире развернулись работы по изучению по изучению свойств ВТСП с целью определения возможности их применения в различных областях науки и техники. Интерес к ВТСП объясняется в первую очередь тем, что повышение рабочей температуры до азотной позволит существенно упростить и удешевить системы криогенного обеспечения, повысить их надежность. Для успешного применения ВТСП в сильноточных устройствах (соляноидах, накопителях энергии, электромагнитах, транспорте с магнитным подвесом) необходимо решить ряд вопросов. Одной из важнейших проблем при создании сильноточных устройств с использованием ВТСП является проблема обеспечения устойчивой работы обмоток с током. Проблема стабилизации ВТСП включает в себя несколько аспектов. Внутренним свойством сверхпроводимости является скачкообразный характер проникновения в них магнитного поля. Этот процесс сопровождается выделением части запасенной энергии магнитного поля при его распределении. Поэтому, наиболее важное направление стабилизации сверхпроводников - их стабилизация против сигналов потока. Крое того, проводники, внутренне стабилизированные против сигналов потока, при работе подвергаются действию различного рода возмущений как механического, так и электромагнитного характера, тоже сопровождающиеся выделением энергии.
Основные характеристики композитных ВТСП-проводников.
Традиционные сверхпроводники второго рода (сплавы Nb - Ti, соединение Nb 3 Sn) применяются в сверхпроводящих магнитных системах в виде композитов с матрицей из нормального метала с высокими тепло- и электропроводностью. Наличие пластичной матрицы (чаще всего медной) значительно облегчает изготовление тонких длинномерных проводников волочением или прокаткой, то есть сверхпроводящие материалы отличаются хрупкостью. Стабильность сверхпроводимости - состояние относительно скачков магнитного потока - достигается путем изготовления проводников с весьма малым диаметром отдельных сверхпроводящих или же лент с малой толщиной сверхпроводящего слоя. По этим же причинам ВТСП-проводники в большинстве случаев изготавливаются в форме композитов, имеющих малую толщину или диаметр. Дополнительная причина применения нормального металла связана с необходимостью защиты ВТСП-материала от влажности и других факторов окружающей Среды, вызывающих деградацию оксидного сверхпроводника. Наилучшие результаты получены при использовании серебряной матрицы или обмотки сверхпроводника: кроме того, что серебро лишь в минимальной степени реагирует с ВТСП или его исходной продукции даже при высокой температуре синтеза, серебро отличается высокой диффузионной проницательностью для кислорода, что необходимо при синтезе и обжиге ВТСП.
В настоящее время все усилия в области ВТСП наряду с совершенствованием их свойств и способов получения направлены на создание изделий на основе ВТСП, пригодных для применения в радиоэлектронных системах для детектирования, аналоговой и цифровой обработки сигналов. (см. рис.1).
Основными достоинствами ВТСП являются отсутствие потерь на постоянном и сравнительно небольшие потери на переменном токах, возможность экранирования магнитных и электромагнитных полей, возможность передачи сигналов с крайне малыми искажениями.
Параметром, непосредственно определяющим высокочастотные свойства ВТСП материалов является их поверхностное сопротивление. В обычных металлах поверхностное сопротивление увеличивается пропорционально квадратному корню из частоты в то время, как в ВТСП - пропорционально ее квадрату. Однако, благодаря тому, что начальное значение поверхностного сопротивления (на постоянном токе) у ВТСП на несколько порядков ниже, чем у металлов, высококачественные ВТСП сохраняют преимущества по сравнению с металлами при частоте до нескольких сотен гигагерц.
Интерес к вопросу практического использования сверхпроводников появился в 50-х гг, когда были открыты сверхпроводники второго рода с высокими критическими параметрами как по значению плотности тока, так и по величине магнитной индукции. В настоящее время использования явления сверхпроводимости приобретает все больше практическое значение.
Применение сверхпроводников потребовало решения ряда новых задач, в частности, интенсивного развития материаловедения в области низких температур. При это исследовались не только сверхпроводники собственно, но и конструкции и изоляционные материалы.
стандартный источник питания
сигнал детекти- аналоговая цифровая инфор-
шум рование обработка обработка мация
постоянный ток джозефсоновские логика
радиочастоты приборы
сквиды аналого-цифровой
преобразователь
СВЧ- субмм. волны
дискретизатор
СИС-смесители
СИС квадратурный
детектор СП - полевой
транзистор
джозефсоновский
смеситель прибор на неравно-
весных носителях
джозеновский
параметрический приборы линий
усилитель передачи
сверхпроводящий конвольвер (для
болометр вычисления свертки)
преобразователь
оттоэлектронные
Наибольшее распространение из сверхпроводящих материалов в электротехнике получили сплав ниобий-титан и интерметаллид ниобий-олово. Технологические процессы изготовления исключительно тонких ниобий-титановых нитей и их стабилизации достигли весьма высокого уровня развития. При создании многожильных проводников на основе ниобий-олова широкое применение находит так называемая бронзовая технология.
Развитие сверхпроводниковой техники также связано с созданием ожижителей и рефрижераторов все большей хладопроизводительности на уровне температур жидкого гелия.
Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. В 80-х гг в СССР был осуществлен запуск первой в мире установки термоядерного синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля.
Сверхпроводящие катушки используются также для пузырьковых водородных камер, для крупных ускорителей элементарных частиц. Изготовление таких катушек для ускорителей довольно сложно, так как требование исключительно высокой однородности магнитного поля вызывает необходимость точного соблюдения заданных размеров.
В последние годы имеет место все более широкое использование явления сверхпроводимости для турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др.. Следует также отметить важное направление в работах по сверхпроводимости - создание измерительных устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.
На настоящий момент имеются два главных направления в области применения сверхпроводимости. Это прежде всего магнитные системы различного назначения и затем - электрические машины (прежде всего турбогенераторы).
Применение сверхпроводимости в турбогенераторах большой мощности перспективно потому, что именно здесь удается достигнуть того, чего при других технических решениях сделать невозможно, а именно, уменьшить массу и габариты машины при сохранении мощности. В обычных машинах это уменьшение всегда связано с увеличением потерь и трудностями обеспечения высокого КПД. Здесь этот вопрос решается радикально: массу турбогенераторов можно увеличить в 2-2,5 раза, в тоже время в связи с отсутствием потерь в роторе удается повысить КПД примерно на 0,5% и приблизиться для крупных турбогенераторов к КПД порядка 99,3%. Повышение КПД турбогенераторов на 0.1% компенсирует затраты, связанные с созданием генераторов на 30%. В этих условиях экономия энергии, получаемая за счет снижения потерь, очень быстро оправдывает те затраты, которые вкладываются в создание новых сверхпроводниковых машин. Экономически это, конечно, оправдано, но все дело в том, что для того, чтобы выйти в энергетику с большими машинами, нужно пройти очень сложный путь создания машин все больших мощностей. При этом нужно решать и более трудную проблему - обеспечение высокой надежности. Очень важным моментом в этой связи, является отработка токовводов при создании машин высокой мощности. Перепад температур на токовводах составляет около 300К, они имеют внутренние источники тепловыделения, и поэтому представляют собой один из наиболее напряженных в эксплуатационном отношении узлов сверхпроводникового электротехнического устройства, являясь потенциально опасным источником аварий в криогенной зоне. Поэтому, при разработке токовводов, в первую очередь необходимо обращать внимание на надежность их работы, обеспечивая ее даже в ущерб тепло- и электрохарактеристикам токовводов.
табл.1 “Сферы применения сверхпроводимости”
|
Применение |
Примечания |
|
крупномасштабное а) экранирование |
Сверхпроводник не пропускает магнитный поток, следовательно, он экранирует электромагнитное излучение. Используется в микроволновых устройствах, защита от излучения при ядерном взрыве. |
|
сильноточные устройства
|
НТСП магниты используются в ускорителях частиц и установках термоядерного синтеза. Интенсивно проводятся работы по созданию поездов на магнитной подушке. Прототип в Японии использует НТСП. |
|
другие статические применения
|
Прототипные линии НТСП продемонстрировали свою перспективность. Возможность аккумулировать электроэнергию в виде циркулирующего тока Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов открывает новые возможности в конструкциировании аппаратуры. |
Сверхпроводимость – свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры Т К, характерной для данного материала. Сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, у большого числа сплавов и интерметаллических соединений, а также у некоторых ПП и полимеров. Рекордно высоким значением Т К (около 23 К) обладает соединение Nb 3 Gе.
Основные явления . Скачкообразное исчезновение сопротивления ртути при понижении температуры впервые наблюдал голландский физик X. Камерлинг-Оннес (1911) (рисунок 8.1). Он пришёл к выводу, что ртуть при Т = 4,15 К переходит в новое состояние, которое было названо сверхпроводящим. Несколько позднее Камерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ртути восстанавливается при Т < Т К в достаточно сильном магнитном поле.
Рисунок 8.1 – Зависимость сопротивления R от темп-ры Т для Hg и для Pt. Ртуть при Т=4,15 К переходит в сверхпроводящее
состояние. R 0°C – значение R при 0°С
Падение сопротивления до нуля происходит на протяжении очень узкого интервала температур, ширина которого для чистых образцов составляет 10 -3 –10 -4 К и возрастает при наличии примесей и других дефектов структуры.
Отсутствие сопротивления в сверхпроводящем состоянии с наибольшей убедительностью демонстрируется опытами, в которых в сверхпроводящем кольце возбуждается ток, практически не затухающий. В одном из вариантов опыта используются два кольца из сверхпроводящего металла. Большее из колец неподвижно закрепляется, а меньшее концентрически подвешивается на упругой нити таким образом, что когда нить не закручена, плоскости колец образуют между собой некоторый угол. Кольца охлаждаются в присутствии магнитного поля ниже температуры ТК, после чего поле выключается. При этом в кольцах возбуждаются токи, взаимодействие между которыми стремится уменьшить первоначальный угол между плоскостями колец. Нить закручивается, а наблюдаемое постоянство угла закручивания показывает, что токи в кольцах являются незатухающими. Опыты такого рода позволили установить, что сопротивление металла в сверхпроводящем состоянии меньше, чем 10 -20 Ом·см (сопротивление чистых образцов Си или Ag составляет около 10 -9 Ом∙см при температуре жидкого гелия). Однако сверхпроводник не является просто идеальным проводником, и позднее установили, что слабое магнитное поле не проникает в глубь сверхпроводника независимо от того, было ли поле включено до или после перехода металла в сверхпроводящее состояние. В отличие от этого, идеальный проводник (т. е. проводник с исчезающе малым сопротивлением) должен захватывать пронизывающий его магнитный поток (рисунок 8.2, а, б, в).
Рисунок 8.2 – Распределение магнитного поля около сверхпроводящего шара с исчезающим сопротивлением (идеальный проводник): а – при Т>Т К; б – при Т<Т К, внеш.поле Н ВН ≠0; в – при Т<Т К, Н = Н ВН
Выталкивание магнитного поля из сверхпроводящего образца (эффект Мейснера) означает, что в присутствии внешнего магнитного поля такой образец ведёт себя как идеальный диамагнетик той же формы с магнитной восприимчивостью η=1/4. В частности, если образец имеет форму длинного сплошного цилиндра, а внешнее поле Н однородно и параллельно оси цилиндра, то магнитный момент, отнесённый к единице объёма, М = –Н/4. Это примерно в 106 раз больше по абсолютной величине, чем для металла в нормальном состоянии. Эффект Мейснера связан с тем, что при Н < Н К в поверхностном слое (толщиной 10 -5 –10 -6 см) сверхпроводящего цилиндра появляется круговой незатухающий ток, сила которого как раз такова, что магнитное поле этого тока компенсирует внешнее поле в толще сверхпроводника.
Рисунок 8.3 – Схема образования электронных пар в сверхпроводящем металле
Физическая природа сверхпроводимости. Явление сверхпроводимости можно понять и обосновать только с помощью квантовых представлений. Почти полвека с момента открытия сущность этого явления оставалась неразгаданной из-за того, что методы квантовой механики еще не в полной мере использовались в физике твердого тела. Микроскопическая теория сверхпроводимости, объясняющая все опытные данные, была предложена в 1957 г. американскими учеными Бардиным, Купером и Шриффером (теория БКШ). Значительный вклад в развитие теории сверхпроводимости внесли работы советского академика Н.Н. Боголюбова. Согласно установившимся представлениям, явление сверхпроводимости возникает в том случае, когда электроны в металле притягиваются друг к другу. Притяжение электронов возможно только в среде, содержащей положительно заряженные ионы, поле которых ослабляет силы кулоновского отталкивания между электронами. Притягиваться могут лишь те электроны, которые принимают участие в электропроводности, т.е. расположенные вблизи уровня Ферми. Если такое притяжение имеет место, то электроны с противоположным направлением импульса и спина связываются в пары, называемые куперовскими. В образовании куперовских пар решающую роль играют взаимодействие электронов с тепловыми колебаниями решетки – фононами. В твердом теле электроны могут как поглощать, так и порождать фононы.
Мысленно представим себе следующий процесс: один из электронов, взаимодействуя с решеткой, переводит ее в возбужденное состояние и изменяет свой импульс; другой электрон, также взаимодействуя с решеткой, переводит ее в нормальное состояние и тоже изменяет свой импульс. В результате состояние решетки не изменяется, а электроны обмениваются квантами тепловой энергии – фононами. Обменное фононное взаимодействие и вызывает силы притяжения между электронами, которые превосходят силы кулоновского отталкивания. Обмен фононами при участии решетки происходит непрерывно. В упрощенном виде обменное фононное взаимодействие проиллюстрировано схемой (рисунок 8.3). Электрон, движущийся среди положительно заряженных ионов, поляризует решетку, т. е. электростатическими силами притягивает к себе ближайшие ионы. Благодаря такому смещению ионов в окрестности траектории электрона локально возрастает плотность положительного заряда. Второй электрон, движущийся вслед за первым, естественно, может притягиваться областью с избыточным положительным зарядом. В результате косвенным образом, за счет взаимодействия с решеткой, между электронами 1 и 2 возникают силы притяжения. Второй электрон становится партнером первого – образуется куперовская пара. Поскольку силы притяжения невелики, спаренные электроны слабо локализованы в пространстве. Эффективный диаметр куперовской пары имеет порядок 10-7 м, т. е. охватывает тысячи элементарных ячеек. Эти парные образования перекрывают друг друга, постоянно распадаются и вновь создаются, но в целом все пары образуют электронный конденсат, энергия которого за счет внутреннего взаимодействия меньше, чем у совокупности разобщенных нормальных электронов. Вследствие этого в энергетическом спектре сверхпроводника появляется энергетическая щель ΔД – область запрещенных энергетических состояний (рисунок 8.4). Спаренные электроны располагаются на дне энергетической щели. Грубая оценка показывает, что количество таких электронов составляет около 10-4 от общего их числа.
Рисунок 8.4 – Распределение электронов по энергиям в металле
Размер энергетической щели зависит от температуры, достигая максимального значения при абсолютном нуле и полностью исчезая при Т = Тсв. Теория БКШ дает следующую связь ширины щели с критической температурой перехода
(8.1)
Формула (8.1) достаточно хорошо подтверждается экспериментально. Для большинства сверхпроводников энергетическая щель составляет 10-4–10-3 эВ.
Как было показано, электрическое сопротивление металла обусловлено рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки и на примесях. Однако при наличии энергетической щели для перехода электронов из основного состояния в возбужденное требуется достаточная порция тепловой энергии, которую при низких температурах электроны не могут получить от решетки, поскольку энергия тепловых колебаний меньше ширины щели. Именно поэтому спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенностью куперовских пар является их импульсная упорядоченность, состоящая в том, что все пары имеют одинаковый импульс и не могут изменять свои состояния независимо друг от друга.
Электронные волны, описывающие движение пар, имеют одинаковые длину и фазу. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, «обтекает» дефекты структуры. Такая согласованность в поведении пар обусловлена высокой мобильностью электронного конденсата: непрерывно меняются наборы пар, происходит постоянная смена партнеров. При абсолютном нуле все электроны, расположенные вблизи уровня Ферми, связаны в пары. С повышением температуры за счет тепловой энергии происходит разрыв некоторой части электронных пар, вследствие чего уменьшается ширина щели. Движение неспаренных электронов, переходящих с основных уровней на возбужденные, затрудняется рассеянием на дефектах решетки. При температуре Т = Тсв происходит полный разрыв всех пар, ширина щели обращается в нуль, сверхпроводимость исчезает.
Переход вещества в сверхпроводящее состояние при его охлаждении происходит в очень узком интервале температур (сотые доли градуса). Неоднородности структуры, создаваемые примесями, искажениями решетки, границами зерен, не приводят к уничтожению сверхпроводимости, а вызывают лишь расширение температурного интервала перехода из одного состояния в другое (рисунок 8.5). Электроны, ответственные за создание сверхпроводимости, не обмениваются энергией с решеткой.
Поэтому при температуре ниже критической наблюдается существенное уменьшение теплопроводности металлов.
Рисунок 8.5 –
1 – монокристалл; 2 – поликристалл;
Магнитные свойства сверхпроводников. Важнейшая особенность сверхпроводников состоит в том, что внешнее магнитное поле совершенно не проникает в толщу образца, затухая в тончайшем слое.
Силовые линии магнитного поля огибают сверхпроводник. Это явление, получившее название эффекта Мейснера, обусловлено тем, что в поверхностном слое сверхпроводника при его внесении в магнитное поле возникает круговой незатухающий ток, который полностью компенсирует внешнее поле в толще образца. Глубина, на которую проникает магнитное поле, обычно составляет 10-7–10-8 м. Таким образом, сверхпроводники по магнитным свойствам являются идеальными диамагнетиками с магнитной проницаемостью μ = 0. Как всякие диамагнетики, сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля. При этом эффект выталкивания выражен столь сильно, что открываются возможности удерживать груз в пространстве с помощью магнитного поля. Аналогичным образом можно заставить висеть постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала, в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие токи (опыт В. К. Аркадьева). Состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если напряженность магнитного поля превысит некоторое критическое значение НСВ. По характеру перехода материала из сверхпроводящего состояния в состояние обычной электропроводности под действием магнитного поля различают сверхпроводники I и II рода. У сверхпроводников I рода этот переход происходит скачкообразно, как только напряженность поля достигнет критического значения. Кривая намагничивания таких материалов показана на рисунке 2 13. Сверхпроводники II рода переходят из одного состояния в другое постепенно; для них различают нижнюю НСВ1 и верхнюю НСВ2 критические напряженности поля. В интервале между ними материал находится в промежуточном гетерогенном состоянии, в котором сосуществуют нормальная и сверхпроводящая фазы. Соотношение между их объемами зависит от Н. Таким образом, магнитное поле постепенно проникает в сверхпроводник II рода (рисунок 8.7). Однако материал сохраняет нулевое сопротивление вплоть до верхней критической напряженности поля.
Рисунок 8.6 – Зависимость изменения магнитной индукции внутри сверхпроводника от напряженности внешнего магнитного поля: а – сверхпроводник I рода; б – сверхпроводник II рода
Рисунок 8.7 – Температурные зависимости критической напряженности поля для свинца и белого олова (а ); качественные фазовые диаграммы для сверхпроводников I(б ) и II(в ) рода: Св – сверхпроводящее состояние; См – смешанное состояние; П – проводящее нормальное состояние
Критическая напряженность магнитного поля зависит от температуры. При Т = ТСВ она обращается в нуль, но монотонно возрастает при стремлении температуры к ОК. Для сверхпроводников I рода температурная зависимость НСВ в хорошем приближении описывается выражением
где Н СВ (0) – напряженность критического поля при температуре абсолютного нуля. Иллюстрацией зависимости (8.2.) служат кривые на рисунке 8.7, а. Различия в свойствах сверхпроводников I и II рода подчеркивают фазовые диаграммы, показанные на рисунке 8.7,б,в. Область промежуточного (смешанного) состояния, существующая у сверхпроводников II рода, расширяется при понижении температуры. Различие между НСВ1 и НСВ2 может быть в сотни раз. Критическая напряженность магнитного поля для сверхпроводников I рода составляет приблизительно 105 А/м, а у сверхпроводников II рода значение верхней критической напряженности может превышать 107 А/м. Сверхпроводимость может быть разрушена не только внешним магнитным полем, но и током, проходящим по сверхпроводнику, если он превышает некоторое критическое значение I СВ. Для сверхпроводников I рода предельная плотность тока ограничивается достижением на поверхности образца критической напряженности магнитного поля. В случае длинной прямолинейной проволоки круглого сечения радиуса r предельный ток определяется формулой
Поскольку в сверхпроводящих элементах ток проходит в тонком поверхностном слое, средняя плотность тока, отнесенная ко всему поперечному сечению, уменьшается с увеличением диаметра провода. Для сверхпроводников II рода соотношение (8.3) не выполняется и связь между IСВ и IIСВ носит более сложный характер.
Сверхпроводящие материалы. Явление сверхпроводимости при криогенных температурах достаточно широко распространено в природе. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками I рода с критическими температурами перехода ниже 4,2 К. В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается. Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях. Среди них такие полупроводники, как кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др. Следует заметить, что сверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками в нормальных условиях. К ним относятся золото Au, медь Cu, серебро Ag. Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Такое слабое взаимодействие не создает вблизи абсолютного нуля достаточного межэлектронного притяжения, способного преодолеть кулоновское отталкивание. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние.
Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее количество наименований известных в настоящее время сверхпроводников составляет около 2000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия Nb (таблица 8.1 и таблица 8.2). Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешевый хладагент – жидкий водород.
Несмотря на то, что принципиальные причины возникновения сверхпроводимости твёрдо установлены, современная теория не даёт возможности рассчитать значения Тк или Нк для известных сверхпроводников или предсказать их для нового сверхпроводящего сплава. Однако ряд эмпирических закономерностей – правил Маттиаса (1955) – позволяет определить направление поисков сплавов с высокими Тк и Нк.
Таблица 8.1
Таблица 8.2 - Значения критических параметров сверхпроводников
Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным. Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Тсв = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.
Сверхпроводимость никогда не наблюдается в системах, в которых существует ферро- или антиферромагнетизм. Образованию сверхпроводящего состояния в полупроводниках препятствует малая концентрация свободных электронов. Однако в материалах с большой диэлектрической проницаемостью силы кулоновскою отталкивания между электронами в значительной мере ослаблены. Поэтому некоторые из них также проявляют свойства сверхпроводников при низких температурах. Примером может служить титанат стронция (SrTiO3), относящийся к группе сегнетоэлектриков. Ряд полупроводников удается перевести в сверхпроводящее состояние добавкой большой концентрации легирующих примесей (GeTe, SnTe, CuS и др.).
В настоящее время промышленность выпускает широкий ассортимент сверхпроводящих проволок и лент для самых различных целей. Изготовление таких проводников связано с большими технологически ми трудностями. Они обусловлены плохими механическими свойствами многих сверхпроводников, их низкой теплопроводностью и сложной структурой проводов. Особенно большой хрупкостью отличаются интерметаллические соединения с высокими критическими параметрами. Поэтому вместо простых проволок и лент приходится создавать композиции из двух (обычно сверхпроводник с медью) и даже нескольких металлов. Для получения многожильных проводов из хрупких интерметаллов особенно перспективен бронзовый метод (или метод твердофазной диффузии), освоенный промышленностью. По этому методу прессованием и волочением создается композиция из тонких нитей ниобия в матрице из оловянной бронзы. При нагреве олово Sn из бронзы диффундирует в ниобий Nb, образуя на его поверхности тонкую сверхпроводящую пленку станнида ниобия Nb 3 Sn. Такой жгут может изгибаться, но пленки остаются целыми.
Применение сверхпроводников в различных областях науки техники . Сверхпроводящие элементы и устройства находят все более широкое применение в самых различных областях науки и техники. Разработаны крупномасштабные долгосрочные программы промышленного использования сильноточной сверхпроводимости.
Одно из главных применений сверхпроводников связано с получением сверхсильных магнитных полей. Сверхпроводящие соленоиды позволяют получать однородные магнитные поля напряженностью свыше 107 А/м в достаточно большой области пространства, в то время как пределом обычных электромагнитов с железными сердечниками являются напряженности порядка 106 А/м. К тому же в сверхпроводящих магнитных системах циркулирует незатухающий ток, поэтому не требуется внешний источник питания. Сильные магнитные поля необходимы при проведении научных исследований. Сверхпроводящие соленоиды позволяют в значительной мере уменьшить габариты и потребление энергии в синхрофазотронах и других ускорителях элементарных частиц. Перспективно использование сверхпроводящих магнитных систем для удержания плазмы в реакторах управляемого термоядерного синтеза, в магнитогидродинамических (МГД) преобразователях тепловой энергии в электрическую, в качестве индуктивных накопителей энергии для покрытия пиковых мощностей в масштабах крупных энергосистем. Широкое развитие получают разработки электрических машин со сверхпроводящими обмотками возбуждения. Применение сверхпроводников позволяет исключить из машин сердечники из электротехнической стали, благодаря чему уменьшаются в 5 – 7 раз их масса и габариты при сохранении мощности. Экономически обосновано создание сверхпроводящих трансформаторов, рассчитанных на высокий уровень мощности (десятки-сотни мегаватт). Значительное внимание в разных странах уделяют разработке сверхпроводящих линий электропередач на постоянном и переменном токах. Разработаны опытные образцы импульсных сверхпроводящих катушек для питания плазменных пушек и систем накачки твердотельных лазеров. В радиотехнике начинают использовать сверхпроводящие объемные резонаторы, обладающие, благодаря ничтожно малому электрическому сопротивлению, очень высокой добротностью.
Рис.12. Многократная ТМО
Рис.13. Зависимость критической плотности тока от заключительной вытяжки
Влияние пятого фактора – заключительной деформации – продемонстрировано на рис.13. В выпускаемых в производстве сверхпроводниках критическая плотность тока растет с увеличением заключительной вытяжки до тех пор, пока преимущества измельчения микроструктуры (для лучшего соответствия параметрам пиннинга) не подавляются развитием «сосисочности» волокон
(обычно в качественных композитах при ε = ln μ > 5). В максимальной оптимизации этих факторов заключается повышение критической плотности тока и обеспечение стабильности характеристик технических Nb-Ti сверхпроводников.
5. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К NB-TI СПЛАВАМ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ
Учитывая вышеизложенное, очевидно, что, в первую очередь, качество технических сверхпроводящих материалов зависит от качества исходного сверхпроводящего сплава Nb-Ti, т. е. от его химического состава, однородности и пластичности. Если рассматривать Nb-Ti сплав как сплав на основе титана, легированный ниобием (см.рис.13), то добавка Nb понижает температуру полиморфного превращения титана β→α , и, следовательно, увеличивает устойчивость β -фазы.
Примеси, контролируемые в спецификациях, с точки зрения влияния на полиморфное превращение являются стабилизаторами либо α -фазы, либо β -фазы. На рис. 14 представлен обобщенный график, классифицирующий легирующие элементы в титановых сплавах по их влиянию на полиморфное превращение. Примеси азота, кислорода, углерода и алюминия являются стабилизаторами α -фазы, т. е. повышают температуру полиморфного превращения, способствуют образованию и росту α -выделений и препятствуют их растворению. α --стабилизаторы потенциально повышают критическую плотность тока в сплавах, но, к сожалению, резко снижают технологичность проводов. Кислород сильнее всех остальных примесей способствует увеличению твердости и критической плотности тока, за ним следуют азот и углерод. Предельные содержания примесей O,C,N в спецификациях не связаны с ролью стабилизаторов α -фазы, а в большей степени вызваны желанием повысить пластичность проводов.
Рис.14. Классификация диаграмм состояния титановых сплавов
Примеси железа, никеля, хрома, кремния, меди и тантала являются стабилизаторами β -фазы, так как снижают температуру аллотропического превращения. Однако поскольку содержание этих примесей в промышленных сплавах низко, они не оказывают существенного влияния на фазовый распад. Результаты ряда работ показывают, что увеличение содержания Ta до 0.25 масс. % и даже до 2 масс. % не влияет ни на критическую плотность тока, ни на технологичность, однако снижает стоимость сплава из-за отсутствия необходимости очистки сплава от тантала. Увеличение содержания железа (Al, Cu) до 0.05 масс.% не ухудшает ни технологичности, ни сверхпроводящих характеристик сплава. Отмечено также благоприятное влияние Fe на критическую плотность тока проводов в полях выше 9 Тл.
Необходимым условием для получения высококачественных проводов являются высокие механические характеристики сплава и, в первую очередь, его пластичность. Повышения пластичности материала можно достичь за счёт предварительной деформации слитка с последующим рекристаллизационным отжигом перед закладкой Nb-Ti заготовки в сборку. Цель такого процесса – создание в Nb-Ti заготовке равномерной мелкозёренной структуры.
6. СПОСОБЫСБОРКИСОСТАВНЫХЗАГОТОВОК
Известные методы сборки составных заготовок включают однократную, двукратную и трехкратную сборки. Независимо от предполагаемого способа изготовления проводника первую многоволоконную составную заготовку собирают либо из биметаллических Cu/NbTi (или триметаллических Cu/Nb/NbTi) элементов, либо раздельно из медных трубок и ниобий-титановых стержней. Биметаллические (триметаллические) элементы и медные трубки могут быть круглого и шестигранного сечения, однако предпочтение отдают шестигранным элементам, поскольку сборка круглых обычно вносит значительное количество нежелательных пустот. Избыток пустот может привести к искажению геометрии сборки и даже к разрушению ее оболочки во время изостатического прессования (обжатия). Искажение сборки, вызываемое смещением групп элементов друг относительно друга, характерно для круглых элементов. Вид поперечных сечений проводников, изготовленных из сборок с элементами круглого профиля, выявляет многочисленные области, в которых нарушается геометрический порядок расположения и профиль волокон. Гексагональные элементы эффективно замыкаются и образуют монолитную массу, обжатие которой не приводит к активному смещению волокон из своих положений.
Рис.15. Сборка составных заготовок
Рис16. Сверхпроводники на основе Nb-Ti для различных полоидальных обмоток ИТЭР (а ), СКНТ 0.82-42-0.25 для томографов (б )
При компенсации большого количества пустот за счет обжатия следует учитывать возможность уменьшения исходного размера заготовки и, как следствие, уменьшение общей вытяжки при волочении, что, в свою очередь, не позволит получить расчетный диаметр волокон при требуемом диаметре провода. Заполнение пустот между элементами круглого сечения изменит расчетное соотношение меди и сверхпроводника.
Таким образом, при сборке составных заготовок любой кратности целесообразно использовать элементы шестигранного сечения.Однократная сборка позволяет наиболее экономичным способом изготовить высококачественные сверхпроводники (рис.15).
Используя сборку биметаллических (триметаллических) шестигранных прутков, можно конструировать проводники с числом волокон от нескольких штук до нескольких десятков тысяч (рис.16).При необходимости изготовления проводов с большим числом ниобий-титановых волокон используют двукратную и трехкратную сборки. Существенным недостатком этих методов является высокая стоимость и более низкое качество проводов по сравнению с проводами, полученными из однократной сборки.
7. ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВ
Со времени открытия сверхпроводимости усилия физиков и инженеров были направлены на поиски различных вариантов технического использования этого поразительного явления. До шестидесятых годов прошлого века сверхпроводники и сверхпроводимость были объектами только физического исследования. Проблема практического использования сверхпроводников относилась к области научной фантастики. Огромные возможности, которые открывает перед техникой использование сверхпроводящих магнитных систем, стимулируют проведение исследований во всевозрастающем объеме.
Однако только после развития техники низких температур, появления теоретических работ, объяснивших природу сверхпроводящего состояния, и, конечно, после создания сверхпроводящих материалов с высокими критическими свойствами сверхпроводимость начала выходить на дорогу практического применения. Для одних отраслей науки и техники применение сверхпроводников позволяет улучшить характеристики приборов, для других является единственным приемлемым решением, например в космических и транспортных аппаратах, термоядерных реакторах и МГДгенераторах. Важными сферами применения сверхпроводников может быть их использование в физике высоких энергий, плазмы, термоядерных реакций, МГД-генераторах, при передаче электроэнергии на большие расстояния, в различных приборах электрон-
ной, измерительной и вычислительной техники, особенно для медицинской диагностики. Примеры использования сверхпроводников можно условно разделить на три группы:
для получения сильных магнитных полей; для кабелей электропередач; для электроники.
7.1. Применение сильноточных сверхпроводников
В основном два уникальных свойства сверхпроводников лежат в основе их сильноточных применений:
в интервале значений, ниже критических величин температуры, индукции магнитного поля и плотности электрического тока, сверхпроводники имеют нулевое сопротивление и способны нести ток без потерь на нагрев проводника;
при значениях магнитного поля ниже так называемого мейснеровского сверхпроводники обладают идеальным диамагнетизмом.
Сильноточные технологии разрабатываются для создания устройств больших мощностей и запасенных энергий. Сильноточные сверхпроводники применяются для создания, в первую очередь, высоких магнитных полей, поскольку для поддержания в сверхпроводящем соленоиде уже созданного поля не требуется затрат электрической мощности. Энергия не теряется и может быть использована в случае надобности снова. Этот принцип используется
и при создании накопителей энергии.
Соленоиды из меди имеют проблему прочности. В поле с индукцией 100 Тл магнитные усилия эквивалентны усилиям в жерле пушки при выстреле! Поэтому требуется усиливающая обмотка из медных сплавов повышенной прочности. Другая проблема – большой расход хладагента.
У сверхпроводящих соленоидов эти проблемы решаются, так как они легче и меньше по размерам – они требуют меньшего расхода хладагента. Для сравнения – при индукции магнитного поля 10-15 Тл сверхпроводящий магнит весит всего несколько десятков килограммов, занимает площадь несколько квадратных метров и расходует около 10 л жидкого He в сутки. И это вместо нескольких десятков тонн и тысяч киловатт электроэнергии, которые потребовались бы для несверхпроводящего магнита.
Естественно, что первой областью применения сверхпроводимости явилась физика твердого тела и физика высоких энергий. Магнитные поля применяются практически во всех областях физики.
Сверхмагниты, создающие в малых объемах сильное и очень однородное магнитное поле, нужны при изучении твердого тела. Сильное магнитное поле резко заворачивает траектории электронов, летящих в толще образца. Измерение частоты колебания этого движения позволяет определить эффективную массу электронов, длину свободного пробега между двумя соударениями, концентрацию частиц. Становится также возможным сознательно вводить центры рассеяния электронов и изучать влияние этих центров на электронную систему.
Физика высоких энергий – это не только создание магнитных систем ускорителей, а также и каналов транспортировки и сепарации пучков, разнообразных детектирующих систем. Сильные магнитные поля, создаваемые сверхпроводящими магнитами, нужны и для управления пучками частиц на выходе из ускорителя.
Современные ускорители, сообщающие частицам высокие энергии (десятки и сотни гигаэлектронвольт), имеют вид больших колец и состоят их секторных магнитов. Ускорители – это очень сложные и дорогостоящие сооружения. В нашей стране был построен под Серпуховом крупнейший протонный ускоритель, который имеет диаметр 0,5 км, его длина 1,5 км, он состоит из 120 массивных блоков весом 20 тысяч тонн и способен набирать до 76 ГэВ энергии. (В Дубне работают небольшие ускорители на основе нио- бий-титанового сплава НТ-50.)
Создана установка «Гиперон-1» для исследования частиц с малым временем жизни; диаметр рабочей области 1 м, индукция магнитного поля достигает 5 Тл. Обмотка из сверхпроводников на основе ниобий-титанового сплава НТ-50 имеет вес 8 т, его криогенная установка потребляет только сотую часть энергии, которую потреблял бы в обычном использовании аналогичный несверхпроводящий магнит.
Создание магнитов для Большого адронного коллайдера (LHC) является в настоящее время самым масштабным использованием сверхпроводников, поскольку для этого потребуется изготовить ~ 1400 тонн проводника, в котором ~ 400 тонн приходится на Nb-Ti
сплав. Экспериментальные провода диаметром 1,065 мм с диаметром волокон 12 мкм были изготовлены в рамках исследовательской программы LHC – Большого адронного коллайдера, который будет работать при температуре сверхтекучего гелия (1,9 К).
ИТЭР, Токамаки. Энергетика является важной и перспективной областью применения сверхпроводников. Потребление энергии растет неуклонно, а в условиях ограниченности используемого природного топлива – нефти, газа, угля – встает вопрос о новых источниках энергии, одним из которых может стать термоядерный синтез. Электростанция на термоядерной энергии – это революция, сравнимая с изобретением паровой машины и компьютера. Все без исключения серьезные специалисты считают, что лишь использование термоядерной энергии способно решить энергетические проблемы цивилизации. В отличие от газа и угля он не исчерпаем, в отличие от атомной энергии – безопасен. В отличие от нетрадиционных источников – эффективен для промышленного освоения.
Одной из наиболее острых и важных проблем при использовании термоядерного синтеза является осуществление управляемой термоядерной реакции. Успешные решения этой задачи обещает человечеству неисчерпаемые источники энергии. Принцип действия термоядерного реактора имеет много общего с обычным атомным реактором (см.рис.16) Различие состоит в том, что термоядерная реакция – есть реакция синтеза (соединения) легких ядер в более тяжелые, а не их деления: например синтез ядер гелия из ядер дейтерия – тяжелого водорода. Из дейтерия, содержащегося в 1 л воды, можно получить такую же энергию, как при сгорании 350 л бензина.
Такой синтез осуществлен при взрыве водородных бомб, но эта реакция неуправляема. Для осуществления управляемого синтеза необходимо разогнать ядра легких атомов до таких скоростей, чтобы при столкновении они не разлетались. Для этого надо иметь очень высокую температуру – в десятки миллионов градусов. Когда любое вещество находится в состоянии плазмы, атомы теряют электронные оболочки и образуется бурлящая смесь положительно заряженных частиц. Такую плазму можно удержать только магнитным полем. Эти поля так велики, что их можно создать только с помощью сверхпроводящих магнитов. На установках типа Токамак
удалось осуществить удержание плазмы при температуре 80 млн. град при высокой плотности до 1015 частиц в 1 см3 (рис.18).
Рис.17. Схематичное изображение термоядерной реакции
Рис.18. Распределение тороидального магнитного поля в поперечном сечении Токамака: 1 – стенка рабочей камеры; 2 – обмотка; 3 – плазма
Наибольшего значения магнитная индукция достигает на обмотках с внутренней стороны тора, поскольку здесь плотность тока (число витков на единицу площади) максимальна. Внутри обмоток поле изменяется сравнительно медленно (по закону 1/r ), а снаружи резко падает.
Токамак по принципу действия можно сравнить с большим трансформатором. К его первичной обмотке проводится электропитание из сети. Вторичной обмоткой служит замкнутая тороидальная вакуумная камера, заполняемая водородом или его тяжелыми изотопами. При пропускании через первичную обмотку переменного тока в камере возникает вихревое поле, которое ионизирует рабочий газ. Наведенный в этом газе, как в проводнике сильный ток (в сотни тысяч ампер) образует плазму и нагревает ее до высоких температур. Сильное магнитное поле вторичного тока и
Лекция 1.1.3. Свехпроводники и криопроводники
Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных сплавов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и некоторые диэлектрические материалы.
При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) температурах электропроводность металлов приближается к абсолютному нулю.
В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до температуры 4,2 К голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление о кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью.
Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода или критической температурой перехода Ткр.
Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Тк материал возвращается в нормальное (непроводящее) состояние.
Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.
В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.
Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Тк. Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.
Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам (химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.
Возможности использования явления сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тк и критической напряженности магнитного поля.
Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые. К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля.
В электротехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.
К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях.
Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники.
Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:
· при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;
· некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Тк, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр;
· при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;
· имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;
· зависимость свойств сверхпроводимости от техноло-гических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.
По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:
· сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];
· трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn).
Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры.
В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала.
Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства:
· критическая температура перехода Ткр в ряде случаев значительно превышает Ткр объемных материалов;
· большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник;
· меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.
Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом.
На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники.
Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.
Статьи по теме
