ВТСП-оборудование для завоевания мирового энергетического рынка

Л.И.Чубраева, д.т.н., член-корр. РАН, зав. кафедрой Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения

2010 г. – время начала интенсивной замены электроэнергетического оборудования, выработавшего свой ресурс в энергосистемах всего мира. Страны, сумевшие довести разработки сверхпроводящих устройств до промышленной реализации, станут лидерами энергомашиностроительного сегмента мирового рынка.

В 1986 г. феномен высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) сравнивался с курицей, которая будет приносить золотые яйца. Оптимизм был связан, в частности, с высокой рабочей температурой новых сверхпроводников – до 77 К (температура жидкого азота). Но о реальных применениях ВТСП в энергетике начали говорить только сейчас. Само явление сверхпроводимости открыли почти сто лет назад, в 1911 г. Суть его заключается в том, что при температурах, близких к абсолютному нулю, у ряда металлов и их соединений омическое сопротивление практически отсутствует. От научной идеи до технической реализации прошло полстолетия, когда в 1960-е гг. появились обмоточные СП материалы на основе сплавов ниобия и титана и интерметаллического соединения ниобия и олова. Получение реальных сверхпроводящих материалов открыло возможности развития новых направлений использования эффекта сверхпроводимости, таких как производство, преобразование, накопление, передача электроэнергии с низкими потерями, создание высокоскоростного транспорта на магнитном подвесе и многие другие.

Во всех многочисленных применениях явление СП либо приводит к качественному улучшению электроэнергетических показателей, либо позволяет создать совершенно уникальное оборудование на новых физических принципах. Начиная с 1960-х гг. в нашей стране был создан комплекс уникальных экспериментальных стендов, не имевших аналогов в мировой практике, сохранивших усилиями ученых и специалистов этот приоритет и сегодня.

Работы проводились в ленинградском ВНИИ электромашиностроения, объединении «Электросила», Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова, ВНИИЭМ, ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, ВНИИКП в Москве и целом ряде других организаций. На одном из заводов Казахстана было организовано производство СП проводов и кабелей с максимальными токами до 20–25 килоампер. С распадом Советского Союза это производство для нас было потеряно. Но удалось сохранить и расширить опытное производство в московском Научно-исследовательском институте неорганических материалов им. А.А. Бочвара, а также приступить к созданию нового производства в г. Глазове.

Первые технические провода, пригодные для работы на токах промышленной частоты, были созданы в начале 1980-х гг., когда произошел новый скачок в развитии низкотемпературной сверхпроводимости и появилась возможность создания СП устройств с низкими потерями на переменном токе.

Россия и Украина создали большое количество сверхпроводящих устройств, что позволило Советскому Союзу наряду с США занять лидирующие позиции по этому направлению, опережая многие другие страны мира.

Были разработаны установки для изучения физики плазмы – токамаки Т-7 и Т-15 (Институт им. И.В. Курчатова, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, ВНИИНМ им. А.А. Бочвара и др.), созданы опытные МГД-генераторы (ИВТ АН СССР), начал строиться мощный ускорительно-накопительный комплекс со сверхпроводящими катушками в Протвино под г. Серпуховым (ИФВЭ). Был создан сверхпроводниковый ускоритель Нуклотрон в г. Дубна под Москвой.

ВНИИ электромашиностроения принимал активное участие в работах по униполярным генераторам и двигателям, магнитным сепараторам, медицинским томографам, накопителям энергии. В конце 1970-х гг. был создан первый в мире опытный сверхпроводящий турбогенератор мощностью 20 МВА, прошедший опытную эксплуатацию в системе Ленэнерго.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в 1986 г. вызвало огромный интерес к технической сверхпроводимости не только у ученых, но и у бизнесменов и государственных деятелей, потому что сулило кардинальные изменения во всей энергетике. В новых материалах температуры ВТСП-перехода выросли до 100–1200К и выше. Расширился также магнитный диапазон устойчивого состояния ВТСП в сторону сильных магнитных полей. Переход от жидкого гелия к жидкому азоту создал принципиально новые возможности для практического применения явления сверхпроводимости.

Жидкий азот – прекрасный электрический изолятор, значительно упрощающий саму систему изоляции и предоставляющий возможность применения новых принципов охлаждения, создания компактных, надежных охладителей. Отечественные разработки по данному направлению не уступают мировым аналогам. Сегодня уже во многих странах реализуются национальные программы по техническому применению сверхпроводимости. В США разработана программа «Сверхпроводимость для электроэнергетики». Включение сверхпроводящих компонентов в коммерческое электротехническое оборудование позволит обеспечить глобальное стратегическое преимущество энергомашиностроительной промышленности США на предстоящее столетие.

Аналогичные программы действуют в Японии и странах Европы. В Японии о сверхпроводимости знает практически каждый житель. Вся страна вовлечена в научный процесс, которому оказывается мощнейшая социальная поддержка. В новостях сообщается о новых достижениях в СП-направлении.

Российские программы по объему финансирования уступают всем другим странам. Но большой теоретический и практический опыт российских ученых, их способность работать в сложнейших экономических условиях, наличие уникальной экспериментальной базы, позволяют сохранять завоеванные позиции в прикладной сверхпроводимости.

Отечественные разработчики предлагают на энергетический рынок целый ряд сверхпроводниковых устройств:

• турбогенераторы для тепловых и атомных станций с улучшенным КПД, высокими показателями надежности, с единичной мощностью до 1,5 ? 2,0 ГВт;

• турбогенераторы средней мощности (до 250 – 300 МВт) для станций комбинированного цикла с улучшенными характеристиками при работе в энергосистеме;

• синхронные компенсаторы с малыми потерями и высокими регулировочными характеристиками;

• кабельные линии передач переменного и постоянного тока;

• устройства по ограничению токов коротких замыканий со 100%-ной надежностью;

• трансформаторы со значительно уменьшенной удельной массой;

• индуктивные и кинетические накопители энергии для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах, а также в качестве источников бесперебойного питания для медицинских учреждений, вычислительных центров и других жизненно важных объектов;

• компактные установки для авиации и космоса, а также для передвижных наземных комплексов.

Сверхпроводниковые устройства, обладающие более высокими энергетическими показателями, обеспечивают экономию электроэнергии до 30% уже на стадии их производства. Кроме того, они решают многие экологические вопросы, не разрешимые в рамках традиционных устройств.

Потенциальными заказчиками ВТСП-разработок являются такие энергетические гиганты, как РАО «ЕЭС России», Росатом, Газпром и др. Пока в отечестве есть еще высококлассные научные кадры и мощные уникальные стенды, созданные с большим запасом на будущее, Россия в состоянии энергично развивать ВТСП-направление при соответствующем финансировании работ.

Развитие подобных глобальных научных направлений в принципе невозможно без международного сотрудничества. Российские ученые участвуют в таких международных проектах, как ИТЭР (интернациональный термоядерный экспериментальный реактор на базе токамака) вместе с ведущими учеными ЕЭС, Японии, США, Канады, Китая, Индии, Кореи, Казахстана. В работах над этим проектом в России принимало участие более 200 научно-исследовательских и проектных организаций, промышленных предприятий и вузов. Российские организации активно участвовали в четырех из семи больших проектов, реализованных на международной основе:

• модель центрального соленоида,

• сектор вакуумной камеры,

• модуль бланкета,

• кассета дивертора.

Модельная катушка центрального соленоида представляет собой самый большой импульсный сверхпроводниковый магнит с полем в 13 Т. Катушка-вставка с проводником тороидального поля была изготовлена в России и собрана на испытательном стенде Института атомной энергии в Японии.

В диверторной кассете компоненты внутренней части, обращенные к плазме, были изготовлены в России и Японии, установлены и испытаны в США. Внешнюю часть кассеты и ряд компонентов к ней изготавливались в Европе и частично в России. В разработке проекта ведущую роль играли такие российские организации, как РНЦ «Курчатовский институт», НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, НИКИЭТ и ГНЦ «ВНИИНМ им. А.А. Бочвара» (сверхпроводниковые и конструкционные материалы и системы тритиевого цикла).

Термоциклические испытания макета облицовки были проведены на реакторе в Димитровграде.

Продемонстрировав высокий уровень разработок по проекту ИТЭР, Россия уже в ходе реализации проекта смогла увеличить свою долю участия в поставках высокотехнологичного оборудования и компонентов: сверхпроводников на основе ниобий-олова и ниобий-титана, модулей бланкета, компонент дивертора, мощной коммутирующей аппаратуры, гиротронов, частей инжекторов, приборов для диагностики плазмы.

На саммите «Большой восьмерки» в Петербурге ожидается подписание протокола по ИТЭРу на уровне глав государств. Совместные усилия ведущих стран мира в реализации термоядерного проекта позволят на третье тысячелетие обеспечить человечество практически неисчерпаемым источником энергии.

Возрождение интереса к инженерно-техническим специальностям у современной молодежи позволяет надеяться на новые достижения в развитии ВТСП-направления в России. Совсем недавно наши молодые специалисты и аспиранты получили престижную премию РАО «ЕЭС России» и Российской академии наук «Новая генерация» за разработку ветряной энергетической установки на морской платформе, вырабатываемая энергия которой по кабелю постоянного тока передается на берег. Все электротехническое оборудование установки, включая высоковольтный генератор и кабель предлагается сделать из ВТСП-материалов.

Совместно с Москвой и Екатеринбургом разрабатывается модельная установка на 50 кВт , в которой максимально и гармонично представлены все ВТСП-устройства: синхронный генератор, трехфазный кабель, трансформатор, синхронный двигатель. Разработка не имеет мировых аналогов, поскольку впервые появляется возможность исследования совместной работы комплекса сверхпроводникового оборудования, и близка к завершению. На сегодня выполнено более 70% работ.

В развитии ВТСП-исследований наши соотечественники с самого начала были первопроходцами по целому ряду направлений. Лауреатом Нобелевской премии по физике в 2003 г. стал академик РАН В.Л. Гинзбург за разработку теории сверхпроводимости. Премия «Глобальная энергия» 2006 г. была вручена академику Е.П.Велихову за разработки в области управляемого термоядерного синтеза и проекта термоядерного реактора ITER. Премии «Глобальная энергии» за 2005 г. был удостоен академик РАН А.Е .Шейндлин за фундаментальные исследования теплофизических свойств веществ при предельно высоких температурах для энергетики, в т.ч. для МГД-преобразователей.

Совсем малоизвестный факт, что идея создания безрельсового высокоскоростного железнодорожного транспорта принадлежит Константину Эдуардовичу Циолковскому, который не успел довести эту работу до конца. Сегодняшние самобичевания о навсегда отставшей России кроме идеологической другой почвы не имеют.

Пока ВТСП-материалы достаточно дороги и по своей стоимости превосходят низкотемпературные сверхпроводники. Но ВТСП второго поколения, работы над которыми активно ведутся не только за рубежом, но и в нашей стране, за счет применения новых технологий позволят выйти на уровень цены обмоточной меди. И это событие станет эпохальным в мировом энергомашиностроении.

Журнал «Атомная стратегия» № 25, сентябрь 2006 г.

назад

Материалы из архива

11.2007 Психология веры и международная политика

Проблема веры в политической психологии нуждается в осмыслении политиками, принимающими стратегические решения, судьбоносные для народов всего мира. Статья, посвящённая этой теме, подготовлена по материалам книги В.В.Можаровского и вступительной статьи к ней  проф. А.И.Юрьева. Человечество стоит перед фактом: изменилась расстановка сил на планете. И произошла она по причинам, о которых науку просили помолчать.

4.2009 Менеджерско-кавалерийский наскок

О.М.Ковалевич, доктор технических наук, профессор  Полностью согласен с употребляемыми в статье  “Обращение к компетентным”  эпитетами по отношению к нынешнему руководству атомной отраслью. Готов добавить ещё вертящихся на языке в таких случаях терминов, но  хотелось бы остаться в рамках нормативной лексики. Считаю, что клички “некомпетентные” они вполне достойны. Упомянутая команда пришла под лозунгом “хороший менеджмент - залог успеха”. В этом они считают себя знатоками.

12.2007 РЕТРО энергичного АТОМА - «сказка - быль, да в ней намек»

По случаю 87-й годовщины плана ГОЭЛРО, 41-го по счету празднования дня Энергетика и в честь тридцатилетия атомной энергетики Украины. Может быть, нам все-таки, следует научиться обращать внимание на кажущиеся мелочами обстоятельства. Во-первых, говорят, что мелочей не бывает вовсе. Во-вторых, на практике убедились, что любое хорошее с виду начинание губится именно мелочами.