HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVE DC CABLE LINES – A STEP TOWARDS INTELLIGENT POWER NETWORKS

V.E. Sytnikov, Doctor of Engineering, JSC “NTC FSK EES”
T.V. Ryabin, Deputy Director in JSC “NTC FSK EES”
D.V. Sorokin, Candidate of Engineering, JSC “NTC FSK EES”

Keywords: superconductive cables; power network, critical current, cryogenics.

Electrical industry of the XXI century should provide for high efficiency of energy generation, transportation and use. This can be achieved with higher requirements for manageability of the energy system, as well as for ecological and resource saving parameters on all stages of electrical energy generation and distribution. Use of superconductive technologies allows for achievement of a qualitatively new intellectual level of functioning of this industry. PAO FSK EES has implemented the R&D program that includes development of high-temperature superconductive AC and DC cable lines (hereinafter HTSC CL).

Описание:

Электроэнергетика XXI века должна обеспечивать высокую эффективность выработки, транспортировки и потребления энергии. Этого можно достичь путем повышения требований к управляемости энергосистемы, а также к экологическим и ресурсосберегающим характеристикам на всех этапах производства и распределения электроэнергии. Использование сверхпроводниковых технологий позволяет перейти на качественно новый интеллектуальный уровень функционирования данной отрасли. ПАО «ФСК ЕЭС» была принята программа НИОКР, включающая создание высокотемпературных сверхпроводящих кабельных линий (далее – ВТСП КЛ) переменного и постоянного тока

В. Е. Сытников , доктор техн. наук, заместитель научного руководителя, АО «НТЦ ФСК ЕЭС»

Т. В. Рябин , заместитель генерального директора, АО «НТЦ ФСК ЕЭС»;

Д. В. Сорокин , канд. техн. наук, начальник Центра системных исследований и разработок ИЭС ААС, АО «НТЦ ФСК ЕЭС»

Электроэнергетика XXI века должна обеспечивать высокую эффективность выработки, транспортировки и потребления энергии. Этого можно достичь путем повышения требований к управляемости энергосистемы, а также к экологическим и ресурсосберегающим характеристикам на всех этапах производства и распределения электроэнергии. Использование сверхпроводниковых технологий позволяет перейти на качественно новый интеллектуальный уровень функционирования данной отрасли. ПАО «ФСК ЕЭС» была принята программа НИОКР, включающая создание высокотемпературных сверхпроводящих кабельных линий (далее – ВТСП КЛ) переменного и постоянного тока 1 .

В большинстве промышленно развитых стран мира ведутся интенсивные исследования и разработка новых видов электротехнических устройств на основе сверхпроводников. Интерес к данным разработкам особенно усилился в последние годы в связи с открытием высокотемпературных сверхпроводников (далее – ВТСП), не требующих сложных и дорогих охлаждающих приборов.

Перспективы внедрения сверхпроводящих кабелей

Именно силовые сверхпроводящие кабели являются наиболее разработанным и продвинутым способом применения сверхпроводимости в электроэнергетике в настоящее время . Основными преимуществами сверхпроводящих кабелей являются:

• высокая эффективность в связи с малыми потерями энергии в сверхпроводнике;
• возможность замены существующего кабеля на кабель с большей передаваемой мощностью при тех же габаритах;
• легкий вес за счет меньшего количества используемого материала;
• увеличение жизненного цикла кабеля в результате замедления процессов старения изоляции;
• низкий импеданс и большая критическая длина;
• отсутствие электромагнитных и тепловых полей рассеяния, экологическая чистота и пожаробезопасность;
• возможность передачи больших мощностей при сравнительно низком напряжении.

ВТСП КЛ постоянного и переменного тока – инновационная разработка, позволяющая решить значительную часть проблем электрических сетей. Однако при использовании ВТСП КЛ постоянного тока линия становится управляемым элементом сети, регулирующим потоки передаваемой энергии вплоть до реверса передачи. ВТСП КЛ постоянного тока имеют ряд дополнительных преимуществ по сравнению с линиями переменного тока:

• ограничение токов короткого замыкания, что позволяет соединить по низкой стороне отдельные секторы энергосистемы без увеличения токов короткого замыкания;
• повышение устойчивости сети и предотвращение каскадных отключений потребителей за счет взаимного резервирования энергорайонов;
• регулирование распределения потоков мощности в параллельных линиях;
• передача мощности с минимальными потерями в кабеле и, как следствие, снижение требований к криогенной системе;
• возможность связи несинхронизированных энергосистем.

В электрических сетях возможно создание схемы с применением как ВТСП КЛ переменного, так и линий постоянного тока. Обе системы имеют свои предпочтительные области применения, и в конечном итоге выбор определяется как техническими, так и экономическими соображениями.

Сверхпроводящие вставки между подстанциями в мегаполисах

Энергетические сети мегаполисов являются динамично развивающейся структурой, которая имеет следующие особенности:

• быстрый рост потребления энергии, что обычно превышает средний темп роста потребления по всей стране;
• высокая плотность энергопотребления;
• наличие дефицитных по энергообеспечению районов;
• высокая степень разветвленности распределительных электрических сетей, что обусловлено необходимостью многократного дублирования линий электроснабжения потребителей;
• секционирование электрической сети с целью уменьшения токов короткого замыкания.

Все эти факторы определяют основные проблемы в сетях городских агломераций:

• высокий уровень потерь электроэнергии в распределительных сетях;
• высокие уровни токов короткого замыкания, значения которых в некоторых случаях превосходят отключающую способность коммутационного оборудования;
• низкий уровень управляемости.

При этом загрузка подстанций в городе очень неравномерна. Во многих случаях трансформаторы подстанций загружены только на 30–60 %. Как правило, подстанции глубокого ввода в городах запитываются по отдельным линиям высокого напряжения. Соединение подстанций на стороне среднего напряжения может обеспечить взаимное резервирование энергорайонов и высвободить резервные трансформаторные мощности, что в конечном итоге приведет к снижению потерь энергии в сети. Кроме того, такой тип подключения позволяет использовать высвободившиеся мощности для подключения дополнительной нагрузки без необходимости ввода в эксплуатацию новых трансформаторов или строительства новых подстанций и линий электропередачи .

При наличии вставки (рис. 1) три трансформатора полностью обеспечат электроэнергией присоединенных потребителей при загрузке не более 80 %. Четвертый трансформатор и питающая его линия могут быть выведены в оперативный резерв, что приведет к снижению потерь энергии. Также они могут использоваться для подключения дополнительных потребителей. Такая вставка может быть выполнена как по традиционным технологиям, так и с использованием сверхпроводящих кабельных линий.

Рисунок 1.

Основной проблемой при реализации такой схемы является тот факт, что прямое соединение подстанций приведет к существенному увеличению тока короткого замыкания. Данная схема станет работоспособной только в случае, если вставка будет выполнять две функции: передачу мощности и ограничение токов короткого замыкания. Следовательно, при передаче больших потоков энергии на распределительном напряжении сверхпроводящие линии имеют неоспоримые преимущества.

Решение задачи создания вставки сулит большие перспективы по совершенствованию систем электроснабжения мегаполисов. В настоящее время в мире осуществляются три крупных научных проекта, имеющих целью передачу высокой мощности на среднем напряжении между двумя подстанциями при одновременном ограничении токов короткого замыкания: проект HYDRA, Нью-Йорк, США; проект AmpaCity, Эссен, Германия 2 ; проект «Санкт-Петербург», Россия . На последнем проекте остановимся подробнее.

Российская ВТСП КЛ постоянного тока

Цель проекта «Санкт-Петербург» – разработка и установка сверхпроводящей линии постоянного тока мощностью 50 МВт между двумя городскими подстанциями с целью повышения надежности электроснабжения потребителей и ограничения тока короткого замыкания в городской сети Северной столицы. Проект предусматривает монтаж кабельных линий между подстанцией 330/20 кВ «Центральная» и подстанцией 220/20 кВ РП 9 (рис. 2). Сверхпроводящая линия постоянного тока свяжет две подстанции на стороне среднего напряжения 20 кВ. Длина линии – 2 500 м, а передаваемая мощность – 50 МВт. В петербургском проекте функции передачи мощности и ограничения токов короткого замыкания разделены между кабелем и преобразователями при их соответствующей настройке. Сверхпроводящий кабель постоянного тока, в отличие от кабеля переменного тока, не имеет потерь энергии, что существенно снижает требования к мощности криогенной установки. Однако при данной схеме возникают дополнительные потери энергии в преобразователях. Линия постоянного тока является активным элементом сети и позволяет управлять энергетическими потоками в прилегающих линиях как по направлению, так и по мощности передачи.

Влияние проекта на электрические режимы

В энергорайоне ПС 330 кВ «Центральная» и ПС 220 кВ РП 9 (далее – Центральная/РП 9) возможно возникновение ряда послеаварийных режимов, обусловленных аварийным отключением линий электропередачи и связанных с нарушением электроснабжения потребителей (выделением энергорайонов на изолированную нагрузку).

Расчеты показали, что резервирование электроснабжения потребителей за счет строительства и ввода в эксплуатацию линии электропередачи переменного тока (традиционной кабельной или воздушной линии электропередачи) Центральная/РП 9 невозможно, так как это повышает тяжесть послеаварийных режимов. Избежать этого можно за счет ввода в эксплуатацию управляемой передачи постоянного тока с ВТСП КЛ постоянного тока.

Управление величиной и направлением потока мощности ВТСП КЛ постоянного тока позволяет также обеспечить возможность:

• снижения потерь активной мощности в электрических сетях (за счет перераспределения и ликвидации транзитных потоков мощности);
• подключения новых потребителей на базе существующей электросетевой инфраструктуры (за счет перераспределения потоков мощности и снятия токовых перегрузок электрических сетей в нормальных эксплуатационных и послеаварийных режимах энергосистем).

Влияние проекта на уровень токов короткого замыкания

Расчеты токов короткого замыкания выполнены 3 для случая ввода в схему традиционной кабельной линии переменного тока, а также ВТСП КЛ постоянного тока. По результатам расчетов (табл. 1) приходим к выводу, что включение в схему электроснабжения Санкт-Петербурга кабельной линии переменного тока Центральная/РП 9 приводит к росту величины тока короткого замыкания выше уровня номинального тока отключения выключателей. Это означает, что потребуется реализация дополнительных токоограничивающих мероприятий или замена коммутационных аппаратов на подстанциях. Применение же ВСТП КЛ постоянного тока (таб. 3) не приводит к увеличению токов короткого замыкания в энергосистеме.

Таблица 1 Результаты расчета токов короткого замыкания

Обозначения: I 3 – ток трехфазного короткого замыкания; I 1 – ток однофазного короткого замыкания; I откл – номинальный ток отключения выключателей (принят по состоянию выключателей подстанции на уровне 2014 года).

Оценка потерь энергии в сверхпроводящих линиях

В линиях переменного тока среднего напряжения потери электрической энергии возникают в самом кабеле, электрической изоляции и токовых вводах. В линии постоянного тока потери энергии в кабеле и изоляции отсутствуют, однако они есть в преобразовательных устройствах, токовых вводах. Кроме того, криогенная система потребляет электроэнергию для компенсации всех теплопритоков в холодную зону и для прокачки хладагента по всей трассе.

Для трехфазной линии переменного тока среднего напряжения на передаваемую мощность 100 МВА потери энергии на фазу складываются из следующих величин:

• электромагнитные потери в жиле кабеля – 1,0–1,5 Вт/м;
• теплопритоки через криостат – 1,5 Вт/м;
• теплопритоки через токовводы – (200–300 Вт) x 2;
• потери энергии в изоляции – порядка 0,1 Вт/м.

Общие теплопритоки в холодную зону при длине трехфазной линии 10 км составят 78,5–93,5 кВт. Умножая эту величину на типичное значение коэффициента рефрижерации, равное 20, получим 1,57–1,87 МВА, или менее 2% от передаваемой мощности.

Для аналогичной линии постоянного тока теплоприток в холодную зону ограничивается только теплопритоками через криостат и токовводы. Тогда общие потери энергии в кабеле длиной 10 км с учетом криогенной системы составят 0,31 МВА, или 0,31 % от передаваемой мощности.

Для оценки общих потерь в линии постоянного тока следует прибавить потери в преобразователях – 2% от передаваемой мощности. Итоговые потери в ВТСП КЛ постоянного тока длиной 10 км на передаваемую мощность 100 МВт оцениваются величиной не более 2,5 % от передаваемой мощности.

Приведенные оценки показывают, что потери энергии в сверхпроводящих кабельных линиях существенно меньше, чем в традиционных кабельных линиях. При увеличении передаваемой мощности процент потерь энергии снижается. При сегодняшнем уровне характеристик материалов возможна передача энергии 150–300 МВт при напряжении 20 кВ и до 1 000 МВт при 110 кВ.

Возможности внедрения

Успешные испытания ВТСП КЛ постоянного и переменного токов продемонстрировали высокую эффективность сверхпроводящих линий.

Одним из основных преимуществ сверхпроводящих кабельных линий является возможность передачи больших потоков энергии (сотни мегаватт) на распределительном напряжении. Эти открывшиеся новые возможности целесообразно учитывать и использовать при проектировании или кардинальной реконструкции сетевых объектов.

Например, при реконструкции/создании энергосистемы Новой Москвы целесообразно было бы предусмотреть создание продольных мощных сверхпроводящих линий, а несколько мощных подстанций связать в кольцевую структуру сверхпроводящими линиями постоянного тока на стороне среднего напряжения. Это позволит существенно повысить энергоэффективность сети, уменьшить количество базовых подстанций, обеспечить высокую управляемость энергопотоками и в конечном счете увеличить надежность энергоснабжения потребителей. Такая сеть может стать реальным прообразом умной сети будущего.

Литература

1. Глебов И. А., Черноплеков Н. А., Альтов В. А. Сверхпроводниковые технологии – новый этап в развитии электротехники и энергетики // Сверхпроводимость: исследования и разработки. 2002. № 41.
2. Сытников В. Е. Сверхпроводящие кабели и перспективы их использования в энергетических системах XXI века // Сверхпроводимость: исследования и разработки. 2011. № 15.
3. EPRI. Superconducting Power Equipment Technology Watch 2012. Palo Alto, CA, USA, 2012.
4. Stemmle M., Merschel R, Noe M. Physics Procedia 36 (2012).
5. Сытников В. E., Копылов С. И., Шакарян Ю. Г., Кривецкий И. В. ВТСП передача постоянного тока как элемент «интеллектуальной сети» крупных городов. Материалы 1-й Национальной конференции по прикладной сверхпроводимости. М. : НИЦ «Курчатовский институт», 2013.
6. Kopylov S., Sytnikov V., Bemert S. et. al. // Journal Physics.: Conference. Series. 2014. V. 507. P. 032047.
7. Волков Э. П., Высоцкий B. C., Kapпышев A. B., Костюк В. В., Сытников В. Е., Фирсов В. П. Создание первого в России сверхпроводящего кабеля с использованием явления высокотемпературной сверхпроводимости. Сборник статей РАН «Инновационные технологии в энергетике» под ред. Э. П. Волкова и В. В. Костюка. М. : Наука, 2010.

1 Основное внимание в статье уделено результатам испытаний и перспективам широкого внедрения в электроэнергетику ВТСП кабельных линий постоянного тока.

2 1. Проект HYDRA, Нью-Йорк, США . Цель проекта – разработка и установка сверхпроводящей кабельной линии переменного тока между двумя городскими подстанциями в Нью-Йорке. Линия должна обеспечивать связь с высокой пропускной способностью (96 МВА) между подстанциями на стороне вторичной обмотки трансформаторов (13,8 кВ). Кабельная система будет иметь способность ограничивать ток короткого замыкания за счет быстрого перехода в нормально проводящее состояние ВТСП лент второго поколения. За счет этого обеспечивается низкое значение сопротивления линии в номинальном режиме (сверхпроводящее состояние линии) и переход в состояние с высоким сопротивлением при перегрузке по току.
В проекте HYDRA сочетаются функции передачи большой мощности и ограничения тока в одном устройстве – сверхпроводящем кабеле специальной конструкции. Это делает чрезвычайно сложной задачу оптимизации кабеля с учетом возможных сетевых режимов, условий охлаждения и прокладки кабеля. Кроме того, технические решения, разработанные для одного проекта, не могут тиражироваться для других в силу различных режимных условий и условий прокладки, а значит, и условий охлаждения кабеля, который периодически должен переходить из сверхпроводящего состояния в нормально проводящее.
2. Проект AmpaCity, Эссен, Германия . Цель проекта – разработка и установка сверхпроводящей передачи переменного тока мощностью 40 МВА между двумя городскими подстанциями. Передача состоит из сверхпроводящего кабеля длиной 1 000 м и токоограничителя на напряжение 10 кВ, включенных последовательно. Эта передача соединяет две подстанции 110/10 кВ Herkules и Dellbrugge в центре города Эссен. Реализация проекта позволит вывести из эксплуатации один трансформатор мощностью 40 МВА и линию 110 кВ.
В проекте AmpaCity функции передачи мощности и ограничения токов короткого замыкания разделены между кабелем и токоограничителем. Это упрощает задачу разработки каждого устройства и позволяет изготавливать кабель с высокой степенью стабилизации, что невозможно в проекте HYDRA. Разумеется, требуется согласование характеристик кабеля и токоограничителя, однако это не является сложной задачей, и разработанные при выполнении проекта технические решения могут тиражироваться при разработке других линий с аналогичными параметрами.

3 Расчеты выполнены на базе применения перспективной схемы энергосистемы Санкт-Петербурга и Ленинградской области на 2020 год.

Технические науки

УДК 537.312.62:620.018.45

МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СВОЙСТВА ВТСП-КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ

О.Л. Хасанов

Томский политехнический университет E-mail: [email protected]

Описаны результаты разработки технологии изготовления высокотемпературной сверхпроводящей керамики на основе ультра дисперсных порошков, включая методы сухого компактирования под воздействием мощного ультразвука. Обоснованы оптимальные условия процессов синтеза ВТСП-порошка и спекания керамики. Представлены данные об эксплуатационных свойствах изготовленных из ВТСП-керамики образцов экранов электромагнитных полей, объёмных СВЧ-резонаторов, керамических сквидов.

Введение

Среди современных керамических материалов особое место занимает высокотемпературная сверхпроводящая (ВТСП) керамика. Явление сверхпроводимости при температуре выше 30 К было экспериментально обнаружено в 1986 году Дж. Беднорцем и К. Мюллером в семействе купра-та лантана Ba-La-Cu-O, и вскоре были достигнуты критические температуры сверхпроводящего перехода Тс выше температуры кипения жидкого азота (77 К). С преодолением этого порога возникли захватывающие перспективы практического применения ВТСП в электронике, технике связи и прецизионных измерений, в энергетике, электротехнике, транспорте и других областях.

Поэтому исследования развивались не только в фундаментальном направлении, но и в прикладном аспекте . Ключевой проблемой являлась разработка технологий, позволяющих изготовить из таких хрупких керамических материалов, как сложные купраты, требуемые изделия: провода и кабели, катушки индуктивности, объёмные резонаторы и т.п. Во многих случаях "слаботочного" применения (электроника, датчики) эффективным явилось использование плёночных технологий для изготовления структур на основе ВТСП-плёнок. Однако, для "сильноточных" применений (энергетика, транспорт, ускорительная техника и т.д.) по-прежнему актуальна разработка технологий изготовления объёмных керамических ВТСП-материа-лов с высокой токонесущей способностью и стабильными свойствами.

В настоящей статье изложены основные результаты исследований по разработке методов изготовления и изучения свойств ВТСП-керамики семейства YBa2CuзO7_x. Целью работы являлась разработка методов синтеза ультрадисперсного порошка (УДП) ВТСП-фазы, его компактирования и спекания монофазной сверхпроводящей керамики с высокими критическими характеристиками.

Твердофазный и самораспространяющийся

высокотемпературный синтез ВТСП

Синтез сверхпроводящей орторомбической фазы YBa2CuзO7_x (х<0,4 - фаза "1-2-3") - многостадийный процесс последовательных химических и структурных превращений синтезируемых компонентов. Среди многих известных методов синтеза ВТСП-порошков нами разрабатывался метод твердофазного керамического синтеза.

Как известно, твердофазный синтез является диффузионным процессом. Анализ его протекания и термодинамических условий синтеза показал, что при понижении температуры синтеза фазы 1-2-3 ниже общеизвестной 950 °С уменьшается вероятность образования не сверхпроводящей фазы 2-1-1, предотвращается спекание образующихся зёрен фазы 1-2-3, нежелательное на стадии синтеза. Такие условия достигаются при использовании всех реагентов или одного из них в виде УДП. В показано, что в исходной шихте в ультрадисперсном состоянии достаточно использовать лишь медь. В шихте состава 1-2-3 с применением УДП

Си температура синтеза понижается до 920 оС, а длительность образования ВТСП-фазы уменьшается на 12 ч что связано с увеличением числа зародышей за счёт геометрического фактора - большего числа и площади контактов между УДП Си и более крупными частицами У203 и ВаС03. Интенсификация кинетики фазообразования обусловлена повышением коэффициента диффузии вещества субмикронных частиц меди (имеющих максимальное стехиометрическое содержание в шихте) на границе реагентов за счёт их поверхностной активности, дефектности и термодинамической метаста-бильности структуры, а также эффективным отщеплением зёрен промежуточных фаз синтеза от более крупных частиц реагентов вследствие меж-кристаллитных напряжений. В результате синтезируется монофазный УДП ВТСП УВа2Си307-х со средним размером частиц 0,4...0,7 мкм, критической температурой сверхпроводящего перехода Тс = 95 К и шириной этого перехода ДТс = 1 К.

Синтез ВТСП-фаз возможно осуществить не только путем твердофазных реакций, но и методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) , когда реакция синтеза осуществляется в результате послойного саморазогрева смеси реагентов вследствие экзотермического теплового эффекта.

Образование соединения УВа2Си307-х с таким экзотермическим эффектом возможно по реакции:

1/2У203 + 2Ва02 + 3Си + пО2 ^УВа2Си307.х + О,

где Ва02, 02 - окислители; Си - металлическая не окисленная медь-восстановитель.

Применение УДП Си интенсифицирует реакцию синтеза и увеличивает её тепловой эффект О (определяющий самоподдерживание реакции в шихте) вследствие высокой запасённой энергии ультрадисперсных частиц.

С целью определения закономерностей СВС системы 1-2-3 с использованием УДП Си нами

проведены исследования процесса в токе кислорода и на воздухе, возможности регулирования температуры горения введением дополнительного окислителя, степенью уплотнения исходной шихты, подбором геометрии образцов. В этих исследованиях была поставлена задача определить условия, при которых температура горения лежит в пределах 900.970 °С, т.е. соответствует температуре синтеза и спекания ВТСП-фазы 1-2-3.

Из гомогенизированной шихты исходных компонентов сухим статическим одноосным прессованием формовались прессовки различных диаметров Бр (7, 10, 14 и 18 мм) высотой 3 мм при давлении прессования Р от 50 до 350 МПа.

Волна горения в прессовках инициировалась двумя способами: быстрым нагревом всей прессовки в специально изготовленной трубчатой печи до 800 °С и с помощью электрической спирали, нагревавшей поверхность прессовки до 750 °С. В обоих случаях непосредственно после СВС эффект Мейснера в образцах не наблюдался и для образования ВТСП-фазы был необходим дополнительный отжиг при 950 °С в течение 2.8 ч. Очевидно, что для прессовок исследуемой геометрии горение происходит в существенно не адиабатическом режиме, который не соответствует термодинамическим условиям образования ВТСП-фазы.

Рентгенофазовый анализ, проведенный для образцов после СВС перед отжигом, показал наличие фаз У4Ва309, ВаСи02, тетрагональной фазы 1-2-3, не прореагировавших Си0, Си, У203, а также незначительное количество орторомбической фазы 1-2-3. Содержание ВТСП-фазы Ссп увеличивалось до 40 % после отжига при 950 °С в течение 2 ч и до 50.60 % после отжига при 950 °С в течение 6 ч.

Значения величины эффекта Мейснера х, коррелирующей с содержанием ВТСП-фазы в образцах, в зависимости от давления прессования шихты перед инициированием СВС и геометрии образцов показаны на рис. 1.

Ор= 14 мму \ П = 18 м м

■■ 1- -1-*-1-

Рис. 1. Величина эффекта Мейснера в ВТСП-прессовках, синтезированных методом СВС и отожжённых при 950 С в течение 2 ч (а), а затем 6 ч (б) - в зависимости от давления прессования Р

Сухое прессование УДП ВТСП под действием

ультразвука

На всех технологических этапах изготовления ВТСП-керамики необходимо учитывать метаста-бильность ромбической ВТСП-фазы 1-2-3 и её высокую чувствительность к содержанию кислорода, присутствию паров воды. В этой связи актуальна разработка методов компактирования жёсткого ВТСП-порошка, особенно высокодисперсного (синтезированного из УДП меди), без применения связующих и пластификаторов. Поэтому нами был применён метод сухого прессования ВТСП-по-рошка под ультразвуковым воздействием (УЗВ), подводимым перпендикулярно усилию прессования .

Целью этих исследований являлось изучение влияния температуры спекания на плотность ВТСП-керамики, изготовленной с применением УДП Си и по стандартной технологии, спрессованной при различных режимах УЗВ.

Образцы прессовались в виде таблеток диаметром 11,2 мм как под УЗ-воздействием, так и в статическом режиме. Интенсивность УЗВ задавалась выходным напряжением УЗ-генератора иУЗВ 50, 75 и 100 В, что соответствовало амплитудам колебаний стенки пресс-формы АУЗВ=5, 10 и 15 мкм на частоте 21,5 кГц . Спекание проводилось при пониженных температурах: 890 оС (для образцов с УДП меди) и 950 °С (для образцов из стандартных реактивов) в течение 48 ч. Результаты экспериментов представлены на рис. 2.

Для всех режимов прессования наиболее плотная керамика спекалась из шихты с УДП Си (значения 1, 2, 3 на рис. 2, б), хотя плотность прессовок немонотонно зависела как от типа шихты, так и от значений Р, иУЗВ. Для образцов с УДП УЗ-прессо-вание в исследованном диапазоне иУЗВ практически не влияло на плотность керамики (значения 1, 2, рис. 2, б). Очевидно, для высокодисперсного ВТСП-порошка, синтезированного из УДП, субмикронные размеры частиц существенно меньше амплитуды колебаний матрицы АУЗВ = 5, 10 и 15 мкм и звук проходит через прессовку жёсткого ВТСП-порошка, не вызывая колебательного смещения частиц.

Лишь при Р=907 МПа, иУЗВ=75 В (кривая 2, рис. 2, а) наблюдалось уменьшение плотности прессовки - вследствие агломерирования порошка под вибрационным УЗ-воздействием данной амплитуды. После спекания плотность этих образцов достигала плотности других образцов из УДП, прессовавшихся при 907 МПа (кривая 2, рис. 2, б), что свидетельствует об активационном УЗ-воздей-ствии на прессуемые частицы порошка.

Плотность керамики из стандартных реактивов ухудшалась после УЗ-прессования с иУЗВ=50 В и улучшалась при иУЗВ=75 В, 100 В по сравнению со статическим прессованием (кривая 5, рис. 2, б). Для крупнодисперсной ВТСП-шихты в исследованных режимах УЗВ проявлялись квазирезонансные эффекты совпадения амплитуды колебаний с размерами частиц или агломератов, отражающиеся в повышении плотности прессовок и спечённой керамики при АУЗВ = 10 и 15 мкм (иУЗВ=75 и 100 В -кривые 5 на рис. 2).

Вследствие пониженных температур спекания (890 оС для образцов из УДП и 950 °С для образцов из стандартных реактивов) плотность ВТСП-кера-мики в данных экспериментах не превышала 5,45 г/см3 - 86 % от теоретической плотности. После проведённой оптимизации режимов сухого прессования и спекания УДП ВТСП плотность керамики достигала 6 г/см3 (см. табл. 1).

На электрофизические характеристики керамических ВТСП изделий существенно влияет величина зёрен анизотропной сверхпроводящей фазы и их текстурированность. При обычной термообработке на этой стадии спекания ВТСП отсутствует явно выраженная анизотропия роста зерен. Однако направленная деформация, создаваемая при одноосном сухом прессовании анизотропных зёрен пе-ровскитоподобной фазы 1-2-3, создаёт некоторое выделенное направление, и система перестает быть изотропной. Перпендикулярно направлению усилия прессования в процессе спекания происходит ориентированный рост зёрен, т.е. образуется текстура. Если в процессе одноосного сухого компак-тирования ВТСП-прессовку выдержать длительное время (10...20 ч) под давлением (т.е. создать в ней равномерное напряжение и направление деформа-

Рис. 2. Плотность прессовок рр (а) и спечённой ВТСП-керамики рс (б) в зависимости от интенсивности УЗВ и давления прессования УДП ВТСП: 1) 746 МПа; 2) 907 МПа; 3) 1069 МПа; и шихты из стандартных реактивов: 4) 746 МПа; 5) 907 МПа

ции), то в процессе рекристаллизация это направление будет выделенным для роста зёрен. Анизотропные зёрна перовскитоподобной фазы 1-2-3, в которых сверхпроводящие плоскости CuO2 перпендикулярны направлению усилия прессования, будут преимущественно расти в направлениях вдоль этих плоскостей (вдоль усилия деформации) и достигать значительных размеров (более 10 мкм). Вследствие перераспределения диффузионных потоков вещества вдоль этих направлений, во всех других направлениях рост зёрен ингибируется. Таким образом развивается процесс текстурирования ВТСП-керамики. На рис. 3 показана микроструктура текстурированной керамики 1-2-3, спеченной в указанных условиях (данные сканирующей электронной микроскопии на микроанализаторе SEM-15 Philips получены с помощью В.Н. Лисец-кого).

Проведенные нами исследования показали, что образование текстуры при спекании керамики 1-2-3 из синтезированного УДП ВТСП оптимальным образом протекает при давлении одноосного сухого прессования выше 300 МПа, длительности выдержки прессовки при такой нагрузке более 10 ч и температуре спекания 950...975 °С.

Электрофизические свойства ВТСП-керамики

и разработанных изделий

Тестирование сверхпроводящих и других физических свойств образцов ВТСП-керамики и разработанных изделий (ВТСП-сквидов, экранов электромагнитных полей, объёмных резонаторов) проводилось нами на калиброванных установках индуктивным методом (Тс; ATC), 4-контактным методом (Тс; ATC; критический ток jc), а также на специализированном оборудовании в Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ (г. Дубна); в Лаборатории СВЧ радиотехники МИРЭА (г. Москва); в НИИ ЯФ при ТПУ, НИИ полупроводниковых приборов, Сибирском физико-техническом институте при ТГУ, КБ "Проект" (г. Томск). В табл. 1, на рис. 4

представлены результаты измерении параметров образцов ВТСП-керамики, изготовленных по описанной выше технологии.

Макетные образцы объёмных СВЧ-резонаторов и ВТСП-экраны электромагнитных полей из керамики 1-2-3 в виде полых цилиндров диаметром 50 мм, высотой 40 мм с толщиной стенки 4 мм вместе с торцевыми дискам диаметром 50 мм толщиной 4 мм были изготовлены по технологии с применением УДП Си. ВТСП-керамика имела плотность 5,5 г/см3, критическую температуру Тс = 88 К. Добротность таких резонаторов, измеренная при температуре жидкого гелия Т = 4,2 К, составила О = 2700 на частоте / = 10 ГГц (Я = 3 см), поверхностное сопротивление дисков в тех же условиях -0,04 Ом (измерения проведены в Лаборатории 46 НИИ ЯФ при ТПУ Г.М. Самойленко).

Таблица 1. Электрофизические свойства образцов ВТСП-ке-рамики

Параметр Рс " г/см3 d,* мкм Тс, К ATC, К j ** А/см2 Qi Q2

Керамика 1-2-3 на основе УДП Cu 5,9...6,0 10.20 95 3,5 920 150 250 150 241

Керамика 1-2-3 из стандартных реактивов 5,2...5,5 40.50 90 1,5 90

Средний размер зёрен по данным оптической и сканирующей электронной микроскопии;

**]с - плотность критического тока, определённая 4-зондовым методом (77 К, 0 Тл);

й - добротность шлифованных керамических образцов на частоте / = 3 ГГц (2А/= 20 МГц) при комнатной температуре (в числителе) и при 77 К (в знаменателе), измеренная в Лаборатории СВЧ радиотехники МИРЭА О.М. Олейником;

О2 - добротность тех же образцов, измеренная в тех же условиях через год, свидетельствующая о деградационной устойчивости керамики.

Рис. 3. СЭМ-изображение текстурированной ВТСП-керамики 1-2-3, спечённой из УДП после предварительного нагружения при прессовании и штрих-диаграмма рентгено-фазового анализа (СоКа-излучение)

Рис. 4. Кривые сверхпроводящего перехода для ВТСП-кера-мики, изготовленной с применением УДП Cu: 1, 2) сухое статическое прессование, спекание при 920 и 950 оС соответственно (измерения Tc_ проведены в ЛНФ ОИЯИ В.Н. Полушкиным); 3) УЗ-прессование, спекание при 950 С (измерения T проведены в ЛСВЧР МИРЭА А.А. Бушем)

Испытания таких же цилиндрических образцов в качестве экранов электромагнитных полей были проведены в НИИ ПП (Ю.В. Лиленко) и в СФТИ при ТГУ (А.П. Рябцевым).

Рис. 5. Экранирующие свойства ВТСП-цилиндра

Рис. 6. Гистерезис ВПХ в сверхпроводящем состоянии (Т=77К) ВТСП-цилиндра

Применялась методика измерения напряжения ис на приёмной (внешней) катушке индуктивности, расположенной снаружи ВТСП-цилиндра, при прохождении тестового тока I через генерирующую (внутреннюю) катушку, помещённую внутрь полого ВТСП-цилиндра. Зависимости Пс = /(I) снимались в сверхпроводящем состоянии экрана (7=77 К) и в нормальном состоянии (при 293 К) -рис. 5. Коэффициент экранирования при 7=77 К

на частоте 10 кГц составил значение £>100. Гистерезис вольт-полевой характеристики (ВПХ) ВТСП-экрана при 77 К в отличие от константы при 300 К (рис. 6) также свидетельствует о диамагнитных свойствах исследуемого изделия (ток через образец 1м = 1,3 мА; / = 10 кГц).

Чувствительность сверхпроводящего квантового интерференционного датчика (сквида) характеризуется параметром в:

в = 2 ■1 -фт

Здесь Ь ~ 10-9.10-10 Гн - индуктивность контура квантования в керамических сквидах, обычно представляющего собой отверстие диаметром 0,5.1,0 мм; 1С - критический ток через джозефсо-новский переход (ДП); Ф0=2,07-10-15 В - квант магнитного потока. Для ВТСП-сквидов реально достижимы значения в = 1.2. Поэтому величина I должна составлять 1.10 мА. Для ВТСП керамик получены значения плотности критического тока Х=1/$=10...103 А/см2 = 0,1.10 мкА/мкм2 при рабочей температуре 78 К (^ - площадь сечения ВТСП-керамики). Отсюда следует, что площадь сечения ДП в сквиде должна находится в пределах

0.1.100.мкм2, т.е. характерные размеры ДП должны составлять 0,3.10 мкм. Это условие и задает среднее значение зернистости ВТСП керамики. С целью формирования ДП в ВТСП-керамике из зёрен указанных размеров при изготовления керамических ВТСП-сквидов циммермановского типа нами применялись методы твердофазного синтеза и сухого прессования, описанные выше. ДП формировался в ВТСП-таблетке между двумя отверстиями в процессе формования и спекания плотной текстурированной ВТСП-керамики плотностью 5,7.6,0 г/см3 с размерами зёрен в плоскости текстуры 10.20 мкм. Затем механическим скрайбиро-ванием с контролем под оптическим микроскопом и последующей термообработкой в токе кислорода достигалась требуемая толщина ДП ~10 мкм. Чувствительность сквидов к внешнему магнитному полю достигала значений 1.2 мкВ/Фо .

Таким образом, по результатам работы получены выводы:

1. В естественных условиях СВС как насыпной шихты состава 1-2-3, так и прессовок не приводит к образованию ВТСП-фазы, для синтеза которой требуются дополнительные отжиги при 950 °С.

2. Инициирование СВС на воздухе электроимпульсом с поверхности прессовок исследованной геометрии наблюдается только для шихты с УДП Си; применение крупнодисперсной меди в этом случае не обеспечивает необходимого теплового эффекта реакции.

3. Для образования ВТСП-фазы методом СВС требуются реактивы марки не хуже "чда" (прежде всего, окислителя Ва02).

4. В исследованном диапазоне геометрических размеров оптимальным для СВС ВТСП является фактор формы Нр/Вр=3/\4, давление прессования >150 МПа. При этих условиях плотность керамики достигала 4,6 г/см3, содержание ВТСП-фазы - 54 %, Т= 86 К, АТ= 5 К.

5. Сухое прессование под действием ультразвука эффективно для крупнодисперсной ВТСП-шихты при амплитуде колебаний матрицы АУЗВ = 10 и 15 мкм, когда проявляются квазирезонансные эффекты совпадения амплитуды колебаний с размерами частиц или агломератов.

6. Образование текстуры при спекании керамики 1-2-3 из синтезированного УДП ВТСП оптимальным образом протекает при давлении одноосного сухого прессования выше 300 МПа, длительности выдержки прессовки при такой

нагрузке более 10 ч и температуре спекания 950...975 °С.

7. Технология твердофазного синтеза УДП ВТСП и сухого компактирования эффективна для спекания плотной текстурированной ВТСП-кера-мики с высокими критическими параметрами и изготовления из неё ВТСП-изделий: экранов электромагнитных полей, резонаторов, скви-дов.

Работа в части анализа условий УЗ-прессования поддержана РФФИ, грант 01-03-32360.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Третьяков Ю.Д., Гудилин Е.А. Химические принципы получения металлооксидных сверхпроводников // Успехи химии. - 2000. - Т. 69. - № 1. - С. 3-40.

2. Диденко А.Н., Похолков Ю.П., Хасанов О.Л. и др. Применение ультрадисперсных порошков при синтезе сверхпроводящей керамики У-Ба-Си-О // Физикохимия и технология высокотемпературных сверхпроводящих материалов. - М.: Наука, 1989. - С. 133-134.

3. Похолков Ю.П., Хасанов О.Л. Синтез и изучение свойств высокоплотных текстурированных ВТСП-керамик на основе ультрадисперсных порошков // В сб.: Высокотемпературная сверхпроводимость. - Томск: Научный совет по РНТП РСФСР "ВТСП". - 1990. - С. 28-34.

4. Пат. 1829811 РФ. МКИ Н01Ь 39/14. Способ изготовления монофазного высокодисперсного порошка высокотемпературного сверхпроводника УБа2Си3О7-х / О.Л. Хасанов, Г.Ф. Иванов, Ю.П. Похолков, Г.Г. Савельев. От 23.03.94.

5. Похолков Ю.П., Хасанов О.Л., Соколов В.М. и др. Особенности ультрадисперсной технологии изготовления высокотемпературной сверхпроводящей керамики // Электротехника. - 1996. - № 11. - С. 21-25.

6. Мержанов А.Г., Пересада А.Г., Нерсисян М.Д. и др. // Письма в ЖЭТФ. - 1988. - Т. 8. - Вып. 11. - С. 604-605.

7. Хасанов О.Л., Соколов В.М., Похолков Ю.П. и др. Ультразвуковое компактирование высокодисперсного порошка УБа2Си3О7-х// Материаловедение высокотемпературных сверхпроводников: Тез. докл. II Международн. конф. - Харьков: Институт монокристаллов НАНУ, 1995. - С. 149.

8. Хасанов О.Л., Соколов В.М., Двилис Э.С. и др. Ультразвуковая технология изготовления конструкционной и функциональной нанокерамики // Перспективные материалы. - 2002. - № 1. - С. 76-83.

9. Похолков Ю.П., Хасанов О.Л., Ройтман М.С. и др. Разработка технологии изготовления керамических ВТСП-сквидов и базового магнитометра на их основе // Конверсия в приборостроении: Тез. докл. научно-техн. семинара. - Томск: ТПУ, 1994. - С. 32.

УДК 621.039.33:541.183.12

РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ И ИОНОВ С БЛИЗКИМИ СВОЙСТВАМИ В ОБМЕННЫХ ПРОЦЕССАХ С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ ОБРАЩЕНИЕМ ПОТОКОВ ФАЗ

А.П. Вергун, И.А. Тихомиров, Л.И. Дорофеева

Томский политехнический университет E-mail: [email protected]

Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований по обменному разделению изотопов и ионов. Обращение потоков фаз в обменной системе проводится при электромиграционном замещении изотопных и ионных форм в процессе электродиализа.

Проведение комплексных теоретических и экс- ти изотопного обмена направлены на изучение но-периментальных исследований процессов изотоп- вых эффективных способов разделения, разработ-ного разделения имеет важное научное и практи- ку новых технологий разделения изотопов и ионов ческое значение, обусловленное потребностями с близкими свойствами. атомной промышленности. Исследования в облас-

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

изменило

ситуацию,

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

создания

поколения

электрооборудования,

использования

низкотемпературных

сверхпроводников

оказалось

бы чрезвычайно

дорогостоящим,

нерентабельным.

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

наступления

высокотемпературной

сверхпроводимости на электроэнергетику. Высокотемпературные

сверхпроводники

использовать

изготовлении

трансформаторов,

электрических

индуктивных

накопителей

неограниченным

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

характеризуются

уменьшенными

потерями

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

потерями,

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

способны

ограничивать

перегрузки,

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

временные

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

подземных

сверхпроводящих

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

Показательны

технико-экономические

расчеты южно-корейских

энергетиков,

проведенные

рамках долговременного

планирования

электрических

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

кабелями

обойдется

чем обычными.

включаются

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

значительно

напряжении.

Следовательно, уменьшится электромагнитное загрязнение окружающей

густонаселенных

отказаться от линий сверхвысокого напряжения, прокладка которых

встречает

серьезное

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

сверхпроводящего

оборудования

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

последних

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

сверхпроводящих

проводов

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

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

технологий

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

включение

сверхпроводящих

компонент

электрооборудование обеспечит глобальное стратегическое

преимущество

промышленности

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

оборудования

электроэнергетических

устройств

вырастет

32 млрд долл. (общий

сверхпроводников,

включающий

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

Заметим, что Россия наряду с США и Японией сохраняла лидерство

развития

сверхпроводящих

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

промышленно-технической

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

результатов

демонстрации

успешной работы полноразмерных прототипов по всем видам продукции. Каковы

достижения

мирового

сообщества

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

программа

области разработки

ВТСП-оборудования,

первую очередь, силовых кабелей.

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

Координаторами

являются

Организация

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

задействованы

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

ВТСП-проводни-ка

динамическими потерями

охлаждающей

способной

долговременно

поддерживать

температуру

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

отработана конструкция

изготовлены

испытаны

первые отрезки, создана и испытана система охлаждения.

Параллельно,

Furukawa, Sumitomo ведут еще один проект по развитию электрических

токийского

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

кабелепроводов,

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

(однофазная)

прототипная

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

Superconductor Corp. разработали технологию изготовления сверхпроводящих

«порошок

трубке»).

В дальнейшем American Superconductor постоянно наращивала

производственные

мощности,

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

важнейший

появление

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

ускоренной

разработки

внедрения

энергосберегающих электрических систем. Вертикально интегрированные

SPI-команды,

включающие

партнеров из

промышленности,

национальные

лаборатории

и эксплуатационные

компании,

осуществили

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

связавшая

низковольтную

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

Успешные испытания линии прошли

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

(конструкция

«теплым»

диэлектриком, причем каждый проводник был изготовлен одной длиной

заменили

при одинаковой

токонесущей

способности

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

действующей

распределительной сети, в энергетическом хозяйстве большого города. Второй

тридцатиметровая

сверхпроводящая

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

давлением).

Линия, представляющая собой три трехфазных сверхпроводящих

обеспечивает

электроэнергией три

промышленные

установки

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

праздничной

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

начальной

интересный

включает

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

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

Лонг-Айленде.

Необходимый

кабель будет

изготовлен

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

поставит

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

которого

изготовлен

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

«теплым»

диэлектриком,

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

уделялось

разработке

проводника

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

подключению.

был проложен,

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

осветительную

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

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

Для его реализации организован

консорциум,

Nexans (Германия),

(Франция),

(Бельгия),

специалисты

Геттингена

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

мощности

позволяют

выпускать

км сверхпроводника в год. Значительное событие - изготовление

двадцатиметрового

коаксиального сверхпроводящего

(конструкция

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

созданию

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

уменьшится

доходить

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

сверхпроводящем

трансформаторе

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

France), American

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

обеспечивая

энергией

Обмотки трансформатора

выполнены

проводом

основе Bi-2223,

охлаждаемым

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

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

проблемой

разработки

экономичного

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

критической

плотностью

магнитном

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

завершающей

находится

разработка

(Kyushu University

(Токио)) трансформатора

который предназначен

установки

электроподвижном

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

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

аппарату

мощностью

Waukesha Electric

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

перспективе

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

предназначенный

для обычного

трансформатора.

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

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

например,

генераторов

корабельных

двигателей.

ожидать внедрения сверхпроводящих технологий (рис. 1).

свидетельствуют

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

существует

высокотемпературных

сверхпроводников, полностью удовлетворяющих этим условиям. С

невысокая

активность американских,

европейских

японских

данной области. Среди них - успешный демонстрационный

совместно

с Rockwell Automation/Reliance Electric (партнеры по уже упоминавшейся

синхронного

двигателя

на 746 кВт и дальнейшая разработка машины на 3730 кВт.

специалисты

конструируют

двигатель

генератор.

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

Финляндии

испытана

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

керамику

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

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

двигателей

(мощностью

«деятельности»

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

причем разработки

аппаратов

основные

электротехнические

Великобритании,

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

Конструкция

ограничителя

представляет

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

эквивалентную

сверхпроводника

м. Следующий

прототип

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

ограничители:

трансформатор

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

сопротивления

омическая

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

Возвращение

сверхпроводящее

состояние

нескольких

десятков секунд, после этого ограничитель готов к работе. В

дальнейшем

резистивный

ограничитель,

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

превысит

критическое

значение.

нагрева сверхпроводника механический выключатель должен разорвать

нескольких

полупериодов; охлаждение

сверхпроводниковой

приводит

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

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

короткого

замыкания,

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

разработан

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

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

возможности

сверхпроводящей

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

настолько

представительными,

чтобы можно

немедленного

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

критической

плотностью

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

существенное

прогресс сверхпроводящей технологии и стимулирует разработку новых

конструкций

оборудования

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

разрабатываются

MicroCoating Technologies,

Superconductivity

Oxford Superconductor Technology.

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

испытаний

материалов

оборудования.

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

предпринимается

мероприятий

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

сверхпроводников

эффективных,

компактных

высоконадежных

электропередачи.

Одна из основных целей проекта - помощь в создании

расширении

«сверхпроводящего»

на рынке передачи и распределения электроэнергии. В

заключение

отметить,

несмотря

на большие

потенциальные

возможности

применения высокотемпературных

сверхпроводников

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Физики обнаружили материал, который становится сверхпроводящим при температуре немногим выше, чем самая холодная температура на Земле. Это открытие может ознаменовать новую эру изучения сверхпроводимости. Мир сверхпроводимости загудел. В прошлом году Михаил Еремец и пара его коллег из Института химии Макса Планка в Майнце, Германия, сделали необычные заявление о наблюдении сверхпроводящего сероводорода при -70 градусах по Цельсию. Это на 20 градусов выше любого другого материала, за которым остается текущий рекорд.

Результаты работы ученых начали обсуждать , когда их впервые разместили на arXiv. На тот момент физики осторожно высказывались о своей работе. История сверхпроводимости усеяна трупами сомнительных заявлений о высокотемпературной активности, которые впоследствии оказалось невозможно воспроизвести.

С тех пор прошло довольно много времени, Еремец и коллеги упорно трудились, чтобы соорудить окончательные и убедительные доказательства. Несколько недель назад их работа была опубликована в журнале Nature, тем самым поставив штамп респектабельности, необходимой в современной физике. снова замелькали в заголовках.

Антинио Бьянцони и Томас Ярлборг из Римского международного центра материаловедения в Италии сделали обзор своей захватывающей области работы. И проделали теоретическую работу, разъясняющую труды Еремца и его коллег.

Для начала немного предыстории. Сверхпроводимость - это явление нулевого электрического сопротивления, которое встречается в некоторых материалах, когда они охлаждаются ниже критической температуры.

Это явление хорошо известно в обычных сверхпроводниках, которые по сути являются жесткими решетками положительных ионов, купающихся в море электронов. Электрическое сопротивление возникает, поскольку электроны врезаются в эти решетки и теряют энергию по мере движения через нее.

Однако при низких температурах электроны могут соединяться друг с другом с образованием куперовских пар. В то же время решетка становится достаточно жесткой, чтобы позволить когерентное движение волн, называемых фононами.

Сверхпроводимость рождается, когда куперовские пары и фононы путешествуют вместе через материал, и волны существенно расчищают путь для электронных пар. Это наступает, когда вибрации решетки - ее температура - становится достаточно сильной, чтобы разорвать куперовские пары. Это критическая температура.

До недавнего момента самой высокой критической температурой такого рода была отметка в -230 градусов по Цельсию (40 по Кельвину).

Существует три основных характеристики, которые ищут ученые для подтверждения сверхпроводимости материала. Первая - внезапное падение электрического сопротивления, когда материал охлаждается ниже критической температуры. Вторая - вытеснение магнитного поля из материала, эффект, известный как эффект Мейснера.

Третья - изменение критической температуры, когда атомы в материале заменяются изотопами. Происходит это потому, что разница в массе изотопов приводит к тому, что решетка вибрирует по-разному, что меняет критическую температуру.

Но есть еще один вид сверхпроводимости, гораздо менее понятный. Он включает определенные керамические вещества, обнаруженные в 1980-х годах, которые становятся сверхпроводящими при температурах до -110 градусов по Цельсию. Никто на самом деле не понимает, как они работают, но большая часть исследований в сообществе сверхпроводимости сосредоточена на этих экзотических материалах.

Еремец и его коллеги, скорее всего, изменили расстановку позиций. Возможно, самым большим сюрпризом в их прорыве стало то, что он не включает «высокотемпературный» сверхпроводник. Он включает обычный сероводород, за которым никогда не замечали, чтобы он был сверхпроводником при температурах выше 40 градусов по Кельвину.

Еремец и его коллеги достигли своей цели, сжав этот материал под давлением, которое существует только в центре Земли. В то же время им удалось обнаружить доказательства всех важнейших характеристик сверхпроводимости.

А пока их эксперименты продолжаются, теоретики ломают голову, пытаясь это объяснить. Многие физики считали, что была некая теоретическая причина того, почему традиционные сверхпроводники не могут работать при температуре выше 40 градусов по Кельвину. Но оказалось, что в теории нет ничего, что препятствует работе сверхпроводников при более высоких температурах.

В 1960-х годах британский физик Нил Эшкрофт предсказал, что водород должен быть в состоянии сверхпроводить при высоких температурах и давлениях, возможно, даже при комнатной температуре. Его идея заключалась в том, что водород настолько легкий, что должен образовывать решетку, способную вибрировать при очень высоких частотах и, следовательно, становиться серхпроводником при высоких температурах и давлениях.

Еремец и его коллеги, похоже, подтвердили эту идею. Или по крайней мере что-то вроде этого. Есть множество теоретических складок, которые нужно убрать, прежде чем физики смогут сказать, что имеют правильное понимание происходящего. Теоретическая работа продолжается.

Теперь гонка заключается в поиске других сверхпроводников, которые будут работать при еще более высоких температурах. Одним из перспективных кандидатов является H3S (а не H2S, над которым изначально работал Еремец).

И, конечно, физики начинают думать над применениями. Использовать такие материалы весьма непросто, и не только потому, что они являются сверхпроводниками при высоких давлениях.

Но фантазировать не мешает ничего. «Это открытие имеет значение не только для материаловедения и конденсированной материи, но и в других сферах, от квантовых вычислений до квантовой физики живой материи», - говорят Бьянцони и Ярлборг. Они также выдвигают интересную идею, что такой сверхпроводник работает при температуре, которая на 19 градусов выше самой холодной температуры на Земле.

Возможно, в ближайшие месяцы и годы мы услышим еще много интересного о сверхпроводниках.