Сверхпроводники и их применение

Сверхпроводники и их применение

Прикладная сверхпроводимость – одно из стратегических направлений развития неядерных технологий в Топливной компании «ТВЭЛ».

Помимо проектов фундаментальной науки, низкотемпературные сверхпроводящие материалы (СПМ) незаменимы при создании современной медицинской техники (магнитно-резонансных томографов), а также в аналитическом оборудовании высокого и сверхвысокого разрешения, таких как ЯМР-спектрометры. Ключевой приоритетной задачей в рамках развития технологий сверхпроводимости является разработка высокотемпературных СПМ, применение которых позволит значительно улучшить эксплуатационные характеристики традиционных электротехнических устройств и устройств электроэнергетики.

Что такое сверхпроводник

Сверхпроводник — это материал, который при охлаждении до критически низких температур (-270°C) приобретает возможность передавать огромные электрические мощности без сопротивления. В таких случаях говорят, что материал приобретает сверхпроводящие свойства или переходит в сверхпроводящее состояние. Среди сверхпроводимых материалов выделяют: чистые химические элементы (например, ртуть или свинец), сплавы, керамику, органические вещества или материалы на основе железа.

На сегодняшний день самый известный и широко используемый сверхпроводник представляет собой оксид иттрия-бария-меди (YBaCuO). Он переходит в сверхпроводящее состояние при -180 °C, что близко к температуре кипения азота при нормальном давлении (-196 °C). Есть соединения и с более высокими критическими температурами: в 2019 году физики поставили новый рекорд, создав материал, который достигает сверхпроводящего состояния при температуре -23 °C. Правда, пока такой эффект наблюдается лишь под огромным давлением. Поэтому поиск веществ, имеющих как можно более высокую критическую температуру сверхпроводимости, продолжается.

Развитие индустрии

Сегодня сверхпроводящая индустрия развивается в глобальном масштабе, за которым стоит огромный и длительный труд ученых. В России лидером по разработке технологий изготовления сверхпроводящих материалов является научно-исследовательский институт им. Бочвара (АО «ВНИИНМ») Топливной компании Росатома «ТВЭЛ». ВНИИНМ проводит широкий комплекс исследований свойств сверхпроводящих и функциональных материалов, имеет более 40 патентов в этой области.

Специалисты называют массу направлений использования сверхпроводников для устройств, которым требуется высокое магнитное поле, мощный ток и минимальные потери энергии. Например, создание магнитных двигателей для больших судов, которые могут быть в несколько раз меньше и легче сегодняшних. На основе сверхпроводников уже создаются сверхмощные турбогенераторы для электростанций. Сверхпроводимость применяется в измерительной технике, начиная от детекторов фотонов и заканчивая измерением геодезической прецессии посредством сверхпроводящих гироскопов на космическом аппарате «Gravity Probe B». Высокий приоритет имеет задача создания сверхточной томографической техники для современной медицины с применением сверхпроводящих магнитов, которые способны быстро менять силу магнитных полей. Это позволяет более прицельно направлять лучи, а пациентам сохранять покой во время терапии. Применение электромагнитных полей сверхпроводников может быть использовано в космических проектах: принцип магнитной левитации предполагается использовать для вывода в космос грузовых кораблей.

Провода на высокотемпературных сверхпроводниках

Обычные воздушные высоковольтные линии занимают много пространства, а также теряют 6-10% передаваемой энергии. В 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, то есть были найдены сверхпроводники с критической температурой выше 30 кельвинов. Это позволило использовать для охлаждения более дешёвый азот, однако встал вопрос о том, как поддерживать низкую температуру на очень больших отрезках. Сейчас в России, Китае, Японии, Южной Корее, Европе и США есть проекты по созданию сверхпроводящих кабелей длиной от одного до десяти километров. Успеха добились российские инженеры, которые провели испытания самой протяженной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока на основе сверхпроводника Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x длиной 2,5 км с критической температурой –165 °С.

В апреле 2020 года Топливная компания ТВЭЛ и ОАО "РЖД" подписали совместную дорожную карту по испытанию, организации производства и возможных поставок высокопрочного контактного провода для высокоскоростной железнодорожной магистрали. Это единственный в России провод, который можно использовать на высокоскоростных железнодорожных магистралях для скоростей 400 км/час.

Высокоскоростной транспорт

Проектирование поездов на магнитных подушках, мчащихся со скоростью 600 км в час, которые могут заменить самолеты в поездках на расстояния до 1000 км. кажется уже не очень отдаленной перспективой.

Идея использования способности сверхпроводников создавать мощное и устойчивое магнитное поле была впервые реализована еще в начале 1970-х годов, когда был создан первый прототип поезда на магнитной подушке (германский Transrapid 02), а в 1984 году первый коммерческий маглев (от словосочетания «магнитная левитация») начал курсировать между терминалом аэропорта Бирмингема и железнодорожной станцией города (проработал до 1995-го). Однако несмотря на относительную простоту технологии, она не получила широкого распространения - слишком дорогая.

Сегодня перед учеными стоит задача удешевления проводов, решение которой откроет огромный рынок. 

Термоядерные реакторы и научные установки

Еще одна перспективная область применения сверхпроводниковых магнитов — термоядерные реакторы. Они нужны для создания так называемой магнитной ловушки, для удержания вырабатываемой реактором плазмы. Заряженные частицы вращаются вокруг силовых линий магнитного поля. По сути, намагниченная плазма становится диамагнетиком, который стремится покинуть магнитное поле. Соответственно, если окружить плазму сверхпроводниковыми магнитами, генерирующими мощные поля, плазма будет удерживаться в заданном объеме и не сможет разрушить стенки реактора.

Именно такая технология используется для строительства термоядерного реактора ИТЕР во Франции. В этом проекте принимает участие и Россия: Топливная компания Росатома ТВЭЛ и входящие в ее состав Чепецкий механический завод (ЧМЗ) и АО «ВНИИНМ» обеспечили разработку и производство партии сверхпроводящих материалов для глобального проекта ИТЭР.

В течение 5 лет на станках ЧМЗ производили стренды для ИТЭР - уникальное композиционное изделие. Стренд представляет собой металлическую нить диаметром меньше одного мм, внутри которой более 10 тысяч тончайших (2-6 микрон) сверхпроводящих волокон. Каждое волокно тоньше человеческого волоса в 10 раз. В общей сложности ЧМЗ произвел для международного реактора 56 тысяч км сверхпроводов. Такой длиной можно полтора раза обернуть Земной шар!

Российский Nb3Sn сверхпроводник был признан Организацией ИТЭР лучшим в мире по стабильности эксплуатационных характеристик после 1000 электромагнитных циклов, которые моделируют рабочие условия магнитной системы реактора.

Европейские физики заинтересованы в привлечении российских коллег в проект по созданию Нового ускорительного комплекса FCC (Future Circular Collider), который придет на смену Большому адронному коллайдеру и позволит на новом уровне вести фундаментальные исследования в области физики элементарных частиц.

АО ЧМЗ при научном сопровождении АО «ВНИИНМ» изготавливает сверхпроводники для LHC (Большого адронного коллайдера), для медицинских томографов, российского ускорителя частиц (проект NIKA, г. Дубна) и других установок в области физики высоких энергий.

В январе 2020 года ученые ВНИИНМ им. А.А. Бочвара успешно завершили разработку конструкции и технологии изготовления сверхпроводящего ниобий-титанового провода в рамках международного научного проекта по созданию магнита-детектора в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук. Детектор предназначен для проведения экспериментов по сжатию барионной материи (СВМ - Сompressed Baryonic Matter) на ускорительном комплексе Европейского центра ионных и антипротонных исследований (FAIR, Германия). В ходе исследований было подтверждено, что провода для CBM с длиной единичного куска более 5 км, изготовленные на ЧМЗ, по своим конструкционным и физическим параметрам полностью соответствуют всем заданным требованиям и не имеют аналогов в мире.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить