№ 6
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2012
УДК 621.313.32
© 2012 г. КОВАЛЁВ Л.К., КОВАЛЁВ К.Л., КОЛЧАНОВА И.П., ПОЛТАВЕЦ В.Н.
ЗАРУБЕЖНЫЕ И РОССИЙСКИЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН И УСТРОЙСТВ
Дан анализ состояния зарубежных и отечественных разработок в области создания сверхпроводниковых электрических машин и устройств. Представлен обзор характеристик современных токонесущих элементов на основе высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов: объёмных элементов на основе УВСО и М^В2, композитных ВТСП проводов первого поколения на основе соединений В8ССО и М^В2 и ВТСП лент с покрытием второго поколения. Данная статья представляет интерес для разработчиков криогенных электрических машин и устройств на основе высокотемпературных токонесущих элементов.
Введение. Ресурсосберегающая концепция развития современной энергетики и перспективной аэрокосмической техники требует совершенствования существующего и создания нового электроэнергетического оборудования на основе новых физических принципов. При этом повышение эффективности электрооборудования должно осуществляться с учетом возрастающих требований к энергосбережению, экологии и экономии материальных затрат. Решить указанные задачи возможно при использовании новых материалов и технологий, важнейшими из которых являются сверхпроводниковые технологии.
Положение со сверхпроводниковой технологией радикально изменилось после открытия в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников с более высокими возможными рабочими температурами, вплоть до температуры кипения жидкого азота (77,4 К). С этими достижениями связаны начавшиеся в мире (США, страны ЕС, Япония, Россия, Южная Корея, Китай, Индия и др.) процессы разработки и применения в электроэнергетических системах технологий со сверхпроводниковыми материалами и оборудованием, в т. ч. сверхпроводниковых кабелей, синхронных компенсаторов, то-коограничителей, кинетических и индуктивных накопителей энергии, генераторов и двигателей.
В настоящее время использование явления сверхпроводимости приобретает все больше практическое значение. Выделяют три области использования сверхпроводников:
— физические установки на основе сверхпроводящих магнитов;
— устройства на основе эффекта Джозефсона;
— силовые элементы энергосистем: силовые кабели, генераторы, двигатели, токо-ограничители, накопители и др.
Реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. Наиболее широко сверхпроводники стали применять в ускорительной технике, при построении детекторов частиц в физике высоких энергий, в исследовательских установках термоядерного синтеза, в ядерно-магнитных спектрометрах при изучении структуры материалов, в медицинских магниторезонансных томографах. Благодаря применению сверхпроводников реализовалась возможность
Прогноз мирового рынка — сверхпроводниковой — продукции 1995-2020
□ Electronics
- □ Energy —
□ Transportation
■ □ Industrial —
□ Medical
1995
2000 2010 Годы
2020
■ RTD
□ MR ■■■
□ New Large Scale
□ New Electronics "" .........................Общее ■
Общее
2004
2010
Годы
Рис. 1. Прогноз рынка сверхпроводникового электротехнического оборудования
создания крупных физических установок, выполняемых по международным программам — большой адронный коллайдер LHC и международный опытный термоядерный реактор — ITER.
Экспериментальные образцы приборов с переходами Джозефсона (СКВИД детекторы) могут обнаруживать напряжения порядка 10—15 В. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10—9 Гс, используются при изучении магнитных материалов и в медицинских магнитокардиографах. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики [1].
Интерес к высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) объясняется тем, что повышение рабочей температуры до азотной позволяет существенно упростить и удешевить системы криогенного обеспечения, повысить их надежность. Применение ВТСП в сильноточной технике будет иметь наиболее радикальные экономические последствия. Это направление включает в себя создание электроэнергетических устройств и систем, вырабатывающих, передающих и преобразующих электроэнергию в промышленных масштабах. Основой этого направления является способность сверхпроводников нести без потерь высокие плотности транспортного тока в сильных магнитных полях при температурах ниже критической. Таким образом, при передаче по кабельным линиям электропередач мощностей свыше 20 млн кВт на расстояние свыше 2000 км ожидается снижение электрических потерь на 10%. При этом приведенные затраты на сверхпроводящую кабельную ЛЭП могут быть не больше, чем на высоковольтную ЛЭП традиционного исполнения [1].
Внимание в России и за рубежом (США, Япония, Германия и др.) уделяется развитию специального электротехнического оборудования для специальной техники и будущих транспортных систем, таких, как морские суда, высокоскоростной транспорт на магнитном ВТСП подвесе, авиационно-космическая техника при использовании криогенного топлива (жидких водорода и природного газа) и, в частности, для разрабатываемых проектов на водородном топливе и для новых систем запуска в космос.
По прогнозу Всемирного банка, объем мирового рынка сверхпроводникового электротехнического оборудования составит к 2015 г. более 40 млрд долл., а к 2020 г. достигнет 244 млрд долл. (см. рис. 1). Согласно данным известного в Европе консорциума Conectus, специально созданного в целях изучения и пропаганды возможностей коммерческого использования явления сверхпроводимости, международный рынок оборудования, использующего это явление, вырастет до 38 млрд долл. к 2020 г. [2].
Современные ВТСП материалы
Таблица 1
ВТСП материал
Критическая температура Тс, К
У1Ва2Си3О7 _ х (иттриевая керамика) В12РЪ28г2СаСи2Ою_ х (В1-2212) (висмутовая керамика) В12РЪ28г2Са2Си3Ош _ х (В1-2223) (висмутовая керамика) Та-Ва-8г-Са-Си-О (таллиевая керамика) ^-Ва-Са-Си-О (ртутная керамика) М8В2 (диборид магния)
90 85 110 130 158 40
1. Современные токонесущие элементы на основе ВТСП
Открытие явления высокотемпературной сверхпроводимости и достигнутое повышение их критической температуры до ~100 К создало принципиально новые возможности для практических применений сверхпроводимости. Главная из них состоит в повышении рабочих температур сверхпроводниковых устройств от единиц градусов Кельвин до температур 30—100 К.
В настоящее время для создания ВТСП токонесущих элементов используются соединения и оксидные системы [3, 4], приведенные в табл. 1.
Существующие на сегодняшний день технологии позволяют получать токонесущие ВТСП элементы в виде композитных ВТСП проводов, объемных элементов с монодоменной и поликристаллической структурой, а также в виде листовых композитов. В последние годы в США была разработана технология, позволяющая получать пленочные ВТСП материалы методом напыления. Общая классификация СП материалов приведена на рис. 2.
Объемные ВТСП элементы на основе YBCO. Созданные в течение последних лет технологии изготовления токонесущих ВТСП элементов различной конфигурации для роторов электрических машин на основе массивной ВТСП керамики (УВСО) позволяют изготавливать керамические блоки с поперечными размерами более 40 мм с критическими токами ~ 100 А/мм2 и выше в полях ~0,5—1 Тл. Внешний вид объемных УВСО элементов приведен на рис. 3.
Рис. 2. Классификация СП материалов для электромеханики
Рис. 3. Внешний вид объемных YBCO элементов
Рис. 4. Внешний вид объемных MgB2 элементов
ш 0,5 мм кдо! К" ® 0,5мм ш
■ГФ 2 г»т т# 0,5 мм ^___-Л.__лШШЖ ¡н ¡ця
Рис. 5. Поперечные сечения токонесущих элементов различной конструкции на основе MgB2
Получение крупных монодоменных объемных ВТСП элементов осуществляется методом ориентированной кристаллизации с использованием монокристаллической затравки, при высоких температурах вплоть до ~1200°С в течение ~160 ч. При исполь-
Заполнение
Рис. 6. Листовые композиционные ВТСП материалы на основе соединения Б1-2223: а — структура 10- и 20-слойных Б1-2223 листов; б — внешний вид Б88СО листов.
зовании затравок инициируется ориентированный рост кристаллов, которые формируют монодоменную структуру массивного YBCO элемента. В качестве затравок обычно используются монокристаллы оксида магния и циркония или SmBa2Cu3Ox. В зависимости от числа и расположения затравок, данная технология позволяет получать образцы разнообразной формы и размеров.
ВТСПэлементы на основе MgB2. В настоящее время отработана технология производства объемных ВТСП элементов и проводов на основе соединения MgB2. Этот материал при температурах <30 К обеспечивает характеристики и надежность, сравнимые или даже превосходящие существующие магниты при более низкой стоимости.
Внешний вид изготовленных объемных MgB2 элементов приведен на рис. 4.
Благодаря слабой анизотропии критических свойств сверхпроводника MgB2, проводам на его основе (для оптимизации размеров и плотности тока в обмотках) можно придавать различную форму. Они могут быть изготовлены круглого и прямоугольного сечения и имеют небольшой вес. На рис. 5 показаны изготовленные токонесущие элементы на основе MgB2 в виде многожильных проводников [5].
Для увеличения их критических параметров применяется дополнительное легирование проводов карбидом кремния (SiC), вводятся Nb барьеры. Эти меры позволяют поднять Ic до 45 кА/см2 при 10 T и 4,2 K. Затраты на изготовление таких проводов значительно ниже в сравнении с ВТСП лентами (как BSCCO, так и YBCO тонкопленочными проводниками).
Самой привлекательной нишей для применения MgB2 являются магнитные системы для магниторезонансных томографов (МРТ) с полями до 1,5—3,0 Тл. Применение MgB2 в трансформаторах, моторах, генераторах и токоограничителях также весьма перспективно [6].
В настоящее время одним из лидеров в области производства проводов и кабелей на основе диборида магния является компания HyperTech Research Inc. Общая стоимость заказов, поступивших HyperTech в 2010 г., составила ~4 млн долл.
Листовые ВТСП композиты на основе BSCCO. К
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.