Общие сведения. Сверхпроводимость — явление, заключающееся в том, что у опреде­ленных химических элементов, соединений

Сверхпроводимость — явление, заключающееся в том, что у опреде­ленных химических элементов, соединений, сплавов при их охлаждении ниже определенной температуры наблюдается переход из нормального в так называемое сверхпроводящее состояние, в котором их электрическое сопротивление постоянному току полностью отсутствует. При этом пере­ходе структурные свойства этих сверхпроводников остаются практически неизменными. Электрические и магнитные свойства в сверхпроводящем состоянии резко отличаются от этих свойств в нормальном режиме.

Явление сверхпроводимости было открыто Г. Камерлинг-Оннссом в 1911 г. при исследовании ртути. Он обнаружил, что при охлаждение ртут­ной проволоки ниже 4 К (—270 °С) ее сопротивление скачком обращается в нуль. Нормальное же состояние восстанавливается при пропускании через проволоку достаточно сильного тока или при помещении в доста­точно сильное магнитное поле.

В 1933 г. Ф.В. Мейснером было обнаружено другое важное свойство сверхпроводников — внешнее магнитное поле, меньшее некоторого кри­тического значения, не проникает в глубь проводника, имеющего форму бесконечно сплошного цилиндра, ось которого направлена вдоль поля, и отлично от нуля лишь в тонком поверхностном слое.

В разработку теории сверхпроводимости большой вклад внесли отечест­венные ученые Л.Д. Ландау, В.Л. Гинзбург, А.А. Абрикосов, Л.П. Горьков.

Различают низкотемпературную и высокотемпературную сверхпрово­димости.

Низкотемпературная сверхпроводимость достигается при охлаждении определенных материалов жидким гелием при уровне температур 4 К (точнее 4,2 по Кельвину, эта температура кипения жидкого гелия при нор­мальном давлении). Высокотемпературная сверхпроводимость достига­ется при охлаждении определенных материалов жидким азотом при тем­пературе 77 К (точнее 77,3 по Кельвину или -195,7 °С).

Сильноточная прикладная низкотемпературная сверхпроводимость (НТСП) имеет более чем сорокалетнюю историю. Основные технические НТСП-материалы, разработанные в конце 70-х и начале 80-х годов и используемые в настоящее время, представлены двумя подгруппами:

неупорядоченными деформируемыми сплавами ниобий-титан (Nb-Tc) с критической температурой Т_к = 9,6 К и критическим магнитным полем с

индукцией В_к = 12 Тл, они имеют плотность критического тока 3 • 10⁵ А/м² при рабочей температуре 4,2 К в магнитном поле с индукцией В = 5 Тл;

интерметаллическими соединениями Nb₃Sn с критической температу­рой Т_к = 18,3 К, критическим магнитным полем с индукцией 24 Тл, харак­теризуются более высокой плотностью критического тока 10° А/м² при рабочей температуре 4,2 К в магнитном поле с индукцией 10 Тл.

На базе этих материалов были изготовлены опытные образцы различ­ных электротехнических устройств: электрических турбогенераторов, накопителей электрической энергии, кабелей, трансформаторов и др., испытаниями которых были подтверждены их ожидаемые свойства. Вместе с тем, высокая стоимость криогенной системы, требующейся для получения температуры 4,2 К жидкого гелия, стоимость эксплуатацион­ных расходов и недостаточная надежность не позволили этим устрой­ствам получить практическое применение в сильноточной электротехнике.

В других областях, например в медицине (в томографах), НТСП-техно-логии получили достаточно широкое и практическое коммерчески выгод­ное применение.

Большие надежды на практическое применение сверхпроводимости в электроэнергетике связаны с открытием в 1986 г. высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Жидкий азот, применяемый для охлаждения ВТСП-материалов, существенно более дешевый хладагент, чем гелий, его производство освоено в промышленных масштабах.

ВТСП-материалы подразделяются на материалы первого и второго поколений.

Материалы первого поколения созданы на базе сверхпрпроводников семейства висмутовых купратов (Bi-2223) со структурой слоистого перов-скита с критическими параметрами Г_к = 110 К, В_к > 100 Тл. Плотность

критического тока при 77 К немного превышает 10⁸ А/м², рабочие токи единичных проводников (4—5 мм шириной, 0,2—0,3 мм толщиной) составляет 40—150 А.

На базе этих проводников уже созданы опытные образцы разнообраз­ных устройств: кабелей, ограничителей токов короткого замыкания (КЗ), трансформаторов, синхронных компенсаторов, электродвигателей.

Есть, однако, два обстоятельства, заметно ограничивающих использо­вание ВТСП-материалов первого поколения. Очевидно, что в ближайшем будущем предпочтительной рабочей температурой будет являться 77,3 К. Висмутовые провода (Bi-2223) в этих условиях могут работать в магнит­ных полях, перпендикулярных плоскости ленты и не превышающих 0,3 Тл. При этом плотность тока составляет лишь 2—4 • 10^ А/м², что обес­печит практическое использование ВТСП-материалов первого поколения для электрических кабелей, и, возможно, ограничителей токов КЗ, где амп­литуда индукции магнитного поля, как правило, не выше 0,2—0,3 Тл.

Второе обстоятельство касается проблем цена/качество ВТСП-прово-дов первого поколения. Для широкомасштабного использования в элект­роэнергетике сверхпроводникового оборудования даже с учетом вышеиз­ложенного ограничения по значению магнитной индукции, стоимость ВТСП-провода должна быть соизмерима со стоимостью меди.

В настоящее же время стоимость ВТСП-проводов первого в 6—8 раз выше стоимости медных и по оценкам фирм-производителей не опус­тится выше 3—4 раз.

Все надежды на широкомасштабное промышленное использование в электроэнергетике сверхпроводниковых технологий и оборудования связывают с так называемыми ВТСП-материалами второго поколения, производство которых осваивается в США, Японии, странах ЕС, Южной Корее, КНР и др.

Основу ВТСП-материалов второго поколения составляют иттриевая керамика (пленка с покрытием). На гибкой подложке никелевого сплава формируется специальный буферный слой с кристаллической структурой. На этот слой осаживается сверхпроводник, который затем покрывается стабилизирующим металлом. Получается гибкая тонкая монокристалли­ческая сверхпроводящая пленка на несущей ленте, обладающая весьма высокой токонесущей способностью и большой плотностью тока.

В настоящее время фирмы предлагают эти материалы по стоимости в 7—8 раз выше стоимости медных проводов. Однако по прогнозам фирм-производителей ВТСП-материалов второго поколения к 2010—2015 гг. их стоимость может оказаться соизмеримой со стоимостью медного провода. Если эти прогнозы оправдаются, то сверхпроводимость в электроэнерге­тике найдет широкое применение.

Есть большая доля уверенности, что эти прогнозы оправдаются.