Высокотемпературная сверхпроводимость. Достижения и перспективы

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 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. При разработке токовводов, в первую очередь необходимо обращать внимание на надежность их работы, обеспечивая ее даже в ущерб тепло- и электрохарактеристикам токовводов.

4. Высокотемпературные сверхпроводники первого и второго поколений

Изучая материалы о ВТСП на сайте http://www /novosti_na_glavnoj/sverhprovodyawij_provod_vtsp1, опубликованную группой компаний "Триз", я прочитал ещё одну не менее интересную статью по практическому применению материалов на основе ВТСП. В настоящее время в развитых странах (США, Европа, Япония) и ряде развивающихся стран (Китай, Ю.Корея) происходит переход от этапа НИОКР к созданию достаточно крупных промышленных производств технических сверхпроводников на основе ВТСП и их опробованию при создании ряда модельных устройств криогенной электротехники – силовых кабелей, токовводов, токоограничителей, трансформаторов, двигателей и генераторов, магнитных систем и пр. 

Пожалуй, самым важным фактором в технологии ВТСП-проводов является "врождённая" анизотропия этих материалов. Непременным структурным признаком всех оксидных ВТСП являются атомные слои состава CuO2, они отвечают за появление сверхпроводимости и наибольший ток течет параллельно именно этим слоям. Данное обстоятельство определяет особенности технологии ВТСП-проводов: для достижения высоких характеристик зерна материала должны быть ориентированы по возможности одинаково, т.е. ВТСП должен обладать текстурой.

Пути к созданию проводов из хрупкой  оксидной керамики, обладающей к тому же сильной анизотропией, искали довольно долго. Первые успехи связаны с разработкой  ВТСП-лент в серебряной оболочке на основе сверхпроводника BSCCO, получившими название лент первого поколения. Несколько позднее появилась технология производства лент 2-го поколения на основе YBCO. И в том, и в другом случае ВТСП-материал обладает достаточно высокой текстурой.

В настоящее время эти два  пути представляют собой конкурирующие  направления, причём если технология лент 1-го поколения уже продемонстрировала свой потенциал – получены многие сотни километров провода, созданы  и введены в эксплуатацию кабели и устройства, то ВТСП-проводам 2-го поколения пока ещё предстоит найти своё место на рынке прикладной сверхпроводимости.

Развитие ВТСП-лент второго поколения в России

На сайте http://www.vokrugsveta.ru, в т.ч. в журнале «Вокруг света» № 6(2849) ИЮНЬ 2011г. представлен материал, публикаций, статьи на темы, связанные с изучением инновационных электротехнических материалов — сверхпроводящие ленты второго поколения на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП-провода 2-го поколения) — способны в будущем коренным образом изменить облик электроэнергетики. Эти материалы представляют собой многослойные наноструктурированные оксидные покрытия на металлических лентах. Они могут найти широкое применение при разработке новых кабелей, токоограничителей, трансформаторов, моторов, генераторов, накопителей энергии и других видов электроэнергетического оборудования, в котором используется явление сверхпроводимости. В России созданием этой технологии занимается компания «СуперОкс», основанная в 2006 г. Всё изготовленное оборудование является оригинальным и основано на накопленном за годы работы ноу-хау. Все технологические аппараты снабжены устройствами непрерывной лентопротяжки, что позволяет уже сейчас воспроизводимо получать образцы значительной длины (десятки и сотни метров).

Российскими учеными был преодолен важный рубеж: на коротких образцах ВТСП-лент сантиметровой ширины при 77К был получен критический ток, превышающий 100 А.

Положение дел по этой тематике зарубежом следующее: ВТСП провода 2-го поколения переходят от пилотной технологии к промышленной

 

Нанотехнологическое сообщество в своих публикациях на сайте http://www.nanometer.ru анализирует продвижение развития ВТСП технологий как в России так и зарубежом. В 2007 году ВТСП провода 2-го поколения (2G) постепенно превратились из объекта для отработки ВТСП технологии в коммерческий продукт. На настоящий момент целый ряд компаний уже перешел от отработки технологии в лабораторных условиях к опытному производству 2G ВТСП. На данный момент американские компании American Superconductor (далее AMSC) и SuperPower обладают полупромышленными установками, способными производить за сутки, соответственно, до 800 и 1200 метров ВТСП ленты шириной 4,4 мм в день (без учета брака). Европейская компания EHTS и японская Fujikura еще не запустили пилотное производство ВТСП лент 2-го поколения, однако, это не мешает им производить заметные объемы ВТСП ленты в лабораторных условиях. Компания SuperPower поставила Sumitomo 9,7 км ВТСП ленты для осуществления второй фазы проекта ВТСП кабеля в Олбани. 

Среди всех производителей ВТСП проводов 2-го поколения стоит выделить компании AMSC и Super-Power. Разработанный AMSC специально для токоограничителей ламинированный проводник 344S не имеет аналогов, покрытие из нержавеющей фольги надежно защищает ВТСП слой от механических воздействий и влаги. В 2006 г. SuperPower успешно перешла на подложки толщиной 50 мкм вместо обычных 100 мкм, что позволяет в 1,5 раза поднять конструктивную плотность тока в обмотках и в 2 раза сократить расход ВТСП ленты в токоограничителях. Компания SuperPower до сих пор остается единственным производителем длинномерных (500 м и более) ВТСП проводов 2-го поколения.

 

                                  ОБСУЖДЕНИЯ

 

Название статьи Константина  Ветлугина « "Нужны ли Вам кабели, господа" сразу привлекло мое внимание. Я считаю, что данной статье можно доверять, т.к. обсуждение всех вопросов  идет с Виталием Высоцким, доктором технических наук, который возглавляет отделение ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности» (ВНИИКП). В статье хорошо отражены тенденции и перспективы развития продукции на основе ВТСП. Поднимается вопрос о надежности безопасности данных изделий. Не вызывает сомнение и информация о разработке новых образцов ВТСП проводов и кабелей а также развёртывании опытно-промышленного производство сверхпроводящих продуктов. Этим займётся Центр прикладной сверхпроводимости.

Публикация  Б.В. Булюбаша «Железная ступень к высокой температуре" показалась мне очень интересной и легкой для понимания. В ней хорошо описаны и проиллюстрированы наглядно состояние в высокотемпературных купратных сверхпроводниках. Автор иллюстрирует свое видение происхождения, изучения и развития ВТСП. Подлинность его слов не вызывает сомнения, т.к. он опирался на уже имеющиеся данные и результаты, которые я находил при поиске информации по теме данной курсовой работы.

Компании, производящие изделия  на основе ВТСП достаточно убедительны  в своих презентациях выпускаемой  продукции на сайтах http://www.superox.ru/ и http://triz-cable.ru/. ЗАО «СуперОкс» — российский производитель высокотемпературных сверхпроводников второго поколения впервые стал участником крупнейшей в мире промышленной выставки Hannover Messe 2013. Их проект «Разработка технологий производства проводов на основе высокотемпературных сверхпроводников - материалов для инновационного энергетического оборудования» стал одним из победителей конкурса «Высокие технологии – территория инноваций» и был отмечен почетным знаком Форума «Золотой Георгий».

                                                       ВЫВОДЫ

       Вследствие вышеизложенного материала, можно выделить преимущества изделий на базе ВТСП. Обширная сфера отраслевых применений лежит в основе позитивных прогнозов и отличных перспектив ВТСП второго поколения:

• Снижение энергопотерь при транспортировке электроэнергии на 80%
• Увеличение объема транспортируемой энергии
• Снижение массо-габаритных характеристик изделий на 30-50%
• Абсолютная пожаробезопасность изделий
• Увеличение сроков службы изделий

 

Перспективы применения ВТСП по отраслям:

1. ЭНЕРГЕТИКА - Силовые кабели, токоограничители, Трансформаторы, Электромоторы.
2. ТРАНСПОРТ- MagLev
3. ОБОРОННАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ- Судовые двигатели, системы размагничивания, вооружения.
4. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ- Системы питания ЦОД
5. НАУЧНОЕ ОБОРДОВАНИЕ - Коллайдеры, токовводы, ИТЭР.

 

Я считаю, что примерно через 10-20 лет ВТСП будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике. Внедрение ВТСП-технологий приведет как к простой замене традиционного оборудования на более эффективное сверхпроводящее, так и к изменениям структурного характера и к появлению совершенно новых технологических нововведений. 

Я солидарен с мнением многих ученые, считающих, что в электронике сверхпроводимость найдет широкое применение в компьютерных технологиях. Здесь ВТСП элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и эффективным использованием электроэнергии.  

Химический состав ВТСП  позволяет  мне сделать вывод о том, что  очень перспективно применение ВТСП – в генераторах тока (от мощных электростанций до обычных ветряных установок) и электродвигателях.

Таким образом, в недалеком будущем  использование ВТСП станет одной из базовых составляющих технического прогресса во многих секторах экономики и будет играть важную роль в нашей повседневной жизни.

 

 

 

 

 

Список используемых источников.

1. http://elementy.ru/lib/13 публикация Бобкова Александра "О природе высокотемпературной сверхпроводимости"
2. http://www /novosti_na_glavnoj/sverhprovodyawij_provod_vtsp1 статья компании "Триз"," Практическое применение материалов на основе ВТСП"
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Высокотемпературная_сверхпроводимость
4. http://www.strf.ru  статья  Константина Ветлугина "Нужны ли Вам кабели, господа"
5. http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/theory/792/ Б.В.Булюбаш " Железная ступень к высокой температуре"
6. http://www.vokrugsveta.ru познавательный портал.