Сверхпроводимость и реформы в России

Л.И.Чубраева, д.т.н., член-корр. РАН, Институт электромашиностроения, Санкт-Петербург

Явление сверхпроводимости находит свое применение в магниторезонансных томографах, накопителях энергии, трансформаторах, магнитных сепараторах, двигателях, генераторах, в автомобильном, морском, авиационном транспорте, высоковольтных кабелях, в транспортном магнитном подвесе на железных дорогах, в установках термоядерного синтеза и ускорителях. В этих направлениях сегодня работает весь мир.

В основе всех этих исследований лежит явление сверхпроводимости (СП). Что же такое сверхпроводимость? Это полная потеря электрического сопротивления материала при достижении критической температуры. Причем не резкое уменьшение, что характерно для других материалов, а скачкообразное падение до нуля омических потерь постоянному току.

Этим эффектом и определяется весь спектр применения СП. Использование сверхпроводников взамен традиционной меди в магнитных системах дает огромный выигрыш: 1) отсутствуют потери, 2) за счет высоких плотностей тока резко уменьшаются массогабаритные характеристики изделий.

Немного истории. Низкотемпературная сверхпроводимость была открыта Х.Камерлинг-Оннесом в ртути еще в 1911 г. Практическое ее использование началось в 60-е годы. В 1986 г. была открыта высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП), подтолкнувшая дальнейшее развитие низкотемпературной сверхпроводимости (НТСП).

Развитие исследований СП проводится в трех направлениях: технологии получения сверхпроводников, криогенной техники, создающей системы охлаждения, и конструктивных разработок, определяющих возможные варианты изделий.

НТСП исследовалась, в основном, на двух материалах: сплаве ниобий-титан и интерметаллическом соединении ниобий-олово, критическая температура для которых составила 7-110 К. В наших конструкциях НТСП обеспечивала конструктивную среднюю плотность тока на уровне 1000 А/мм2 в довольно больших магнитных полях (до 5 Тл). Сверхпроводниковые нити в виде отдельных скруток находились в медной матрице (в виде сот). Самый экзотический сверхпроводник делала французская фирма «Альстом»: сверхпроводниковые нити диаметром 0,08 мм в скрутках по 7 штук, в общей сложности до 20 тыс. нитей СП.

До последнего времени производство сверхпроводников функционировало в СССР очень эффективно. Мы до сих пор являемся поставщиками низкотемпературных сверхпроводников для различных международных проектов, потому как таких результатов, как у нас, особенно по ниобиевому СП, нет ни у кого в мире. Но с распадом Союза производство сверхпроводников оказалось «за рубежом» – в Казахстане.

Сегодня исследования и разработки в области СП проводятся благодаря усилиям и финансовой поддержке Минпромнауки и Минатома.

ВТСП от низкотемпературных сверхпроводников отличаются большой зависимостью плотности тока от температуры и магнитного поля. Наши высокотемпературные сверхпроводники пока не очень эффективны для применения в установках термоядерного синтеза из-за недостаточной плотности тока, но успешно используются для трансформаторов, ограничителей тока, кабелей, некоторых типов электрических машин.

В 1980 г. нами был создан низкотемпературный сверхпроводниковый генератор мощностью 20 МВт. Этот генератор в режиме синхронного компенсатора проработал больше 12 лет в сети Ленэнерго. Благодаря продолжению исследований за это время мы наработали огромный опыт, которого нет ни у кого в мире.

«Дженерал электрик», в параллель с которой мы делали работу, после испытания своей машины исследования прекратили. Продолжая набивать шишки и преодолевать трудности, мы настолько далеко ушли в этом направлении вперед, что как научные партнеры западные коллеги перестали быть для нас интересны. Мы готовы делать для них конкретные вещи, чтобы зарабатывать деньги. И сейчас мы имеем постоянные зарубежные заказы.

Многолетний опыт эксплуатации НТСП-генератора научил нас многому. Сам генератор небольшой и кроме преимуществ в массо-габаритах и КПД обладает многими достоинствами при работе энергосистемы.

Раньше весь второй этаж занимала система криогенного охлаждения (один только криостат на 4,5 тыс. л), а надежность системы была такова, что, начиная эксперимент, мы не были уверены в его окончании. Приходилось работать через промежуточный криостат на случай возможных поломок и аварийных отключений.

Для своей работы система требовала функционирования целого компрессорного зала, батареи вакуумных насосов, стационарной криогенной станции. То есть компановка криогенной системы сама по себе представляла довольно сложную задачу. Плюс проблема ее надежности. За все время испытаний не было ни одной проблемы с самим генератором. Все сбои происходили в системе криогенного обеспечения.

Сама машина представляла из себя следующее. Ротор работает при низкой температуре. Фактически это вращающийся криостат – термостат с вакуумными слоями. Внутри расположена сверхпроводящая обмотка возбуждения. Охлаждение осуществляется кипящим гелием.

При использовании вместо НТСП высокотемпературного сверхпроводящего материала можно уменьшить толщину тепловой изоляции из-за повышения критической температуры.

Для данных машин характерна беспазовая конструкция статора. А в качестве хладоагента мы использовали изоляционную жидкость – фреон, выполняющую роль хладоагента, изолятора и рабочей силы в теплонасосной установке. Кроме того, за счет теплонасосной установки мы создали интересную систему использования потери частоты.

Наша машина работала практически со 100%-ным КПД. Мы продолжали работу по созданию низкотемпературных турбогенераторов. И уже был создан технический проект машины мощностью 220 МВт. Минэлектротехпром готов был профинансировать технический проект, с тем чтобы переходить к рабочему проектированию. Была разработана система безщеточного возбуждения вместо традиционной щеточно-контактной группы. И масса других интересных конструкторских решений. Для нас стала совершенно очевидной необходимость перехода на высокотемпературные сверхпроводники и свертывание работ по НТСП, по крайней мере, в электротехнике.

Основными ВТСП материалами сегодня являются ВТ-2212 (соединение висмута, меди и кислорода); Bi-2223 (с серебряной матрицей) и… керамики на основе CuO. Все это очень хрупкие материалы. И когда ВТСП-технологи рассказывают о своих трудностях, они предлагают представить себе такой процесс: из бетона нужно вытянуть нити микронной толщины, сплести их между собой для того, чтобы сделать провод. А уж из этого провода формируется некая магнитная система.

С переходом на ВТСП материалы мы полностью отказались от криогенной системы. Проект машины на 20 МВт выполнен и, думаю, что он заинтересует нашу промышленность. Охлаждение будет осуществляться не за счет внешних криогенных систем, а за счет теплопроводности к криоголовке охладителя. Таким образом, установка перестает зависеть от внешних систем и вообще в ней отсутствует криогенная жидкость. Для работы ВТСП-генератора нам достаточно иметь два криоохладителя. Все очень компактно и надежно. Сейчас мы владеем двумя самыми мощными в России переохладителями.

РАО «ЕЭС России» заказало нам разработку высоковольтного турбогенератора для ЛЭП постоянного тока. Беспазовая конструкция статора позволяет поднять номинальное напряжение. Кроме того, как выяснилось в процессе исследований, высоковольтная изоляция не стареет при криогенных температурах.

Одна из основных трудностей создания турбогенератора – это высоковольтная обмотка. Самой хорошей разработкой в турбогенераторостроении, получившей государственную премию, является машина с полным водяным охлаждением. За долгое время общения с энергетиками мы поняли, что разрабатываться должна не отдельная установка, например ВТСП-генератор, а блок оборудования, включающий генераторы, трансформаторы, токоограничивающие реакторы и отводы на двигатели для собственных нужд – то есть блок сверхпроводникового оборудования.

Кроме генератора речь идет о синхронном компенсаторе, ограничителе тока, кабелях. Для ЛЭП постоянного тока в случае использования сверхпроводников потери будут отсутствовать совсем.

Основное достоинство ограничителя тока на ВТСП – сверхпроводящий элемент, который при превышении критического параметра приводит к ограничению тока короткого замыкания.

Для турбогенератора важно, чтобы ток КЗ ограничивался уже на первом полупериоде, то есть ограничитель должен успеть сработать.

Выяснилось, что СП-материалы обладают достаточно большой тепловой инерцией. И каждый разработчик по-своему пытается решить эту проблему. В России ограничителями занимается, в основном, Курчатовский центр. Мы работаем в кооперации с европейскими коллегами и сделали достаточно простое устройство.

Следующее направление наших работ – это ВТСП-кабели переменного тока. Наиболее широко этими работами занимаются США и Италия. Американцы считают, что при больших длинах кабели более эффективны, чем воздушные линии (особенно с учетом экологии).

У нас на небольшом участке внедрено интересное решение Курчатовского центра. По объемному трубопроводу одновременно с электроэнергией передается сжиженный газ. Для СП-кабеля сжиженный газ выполняет функцию хладоагента, повышая эффективность работы всей системы. Эту работу финансирует «Лукойл».

Много стран работает над ВТСП-трансформаторами, позволяющими существенно уменьшить их габариты по сравнению с традиционными вариантами. Для горных стран с большим количеством туннелей на железной дороге габариты перевозимого оборудования – очень серьезная проблема. Именно эти страны и финансируют такие разработки.

Применение ВТСП материалов позволяет резко увеличить мощность известных серий малых (десятки кВт) машин (гистерезисных и реактивных). Над этим проектом мы работаем вместе с МАИ. Москвичи уже сделали гистерезисный двигатель мощностью 100 кВт и считают, что нет никаких принципиальных преград для повышения мощности до 300-400 кВт.

Другим интересным направлением, в разработке которого заинтересована Европа, является мини-гидроэлектростанции мощностью, начиная с 10 кВт. От традиционной схемы генератор-трансформатор можно отойти, создав генератор сразу на высокое напряжение. Это могут быть кинетические и индуктивные накопители, ограничитель тока. Такую разработку мы проводим по международному гранту.

По предложению итальянских коллег мы участвуем в разработке сверхпроводникового гистерезисного генератора для ветроэнергетической установки, эксплуатируемой на морской платформе с последующей передачей электроэнергии по кабелю (на постоянном токе) в береговую зону.

В первой маленькой машине с высокотемпературным сверхпроводником был использован ленточный сверхпроводник на основе висмута. Плотность тока в нем была небольшой. Затем мы сделали дисковую восьмиполюсную машину с круглыми катушками. И такая конструкция может использоваться в качестве накопителя электроэнергии.

Для накопления энергии возможны два варианта – индуктивный накопитель, с помощью которого запасается энергия электромагнитного поля, и кинетический накопитель. При сверхпроводящей катушке в режиме хранения постоянного тока потери отсутствуют. За счет сверхпроводящего магнитного подвеса мы избавляемся от потерь на трение в подшипниках.

Накопители позволяют запасать избыточную энергию, вырабатываемую ночью, с тем чтобы уменьшить дневные нагрузки и выравнить суточную производительность электроэнергии.

Одной из проблем при применении высокотемпературной сверхпроводимости является проблема ввода тока в сверхпроводящую магнитную систему. Критичным является переход от комнатной температуры к гелиевой, где происходит теплоприток в криостат со сверхпроводящей обмоткой по токовводам.

И самым первым применением высокотемпературной сверхпроводимости стало создание высокотемпературных токовводов, которые резко уменьшили потери магнитных систем.

В последнее время возникла проблема выравнивания нагрузок при кратковременных отключениях, критичных для компьютеров, медицинского оборудования и т.п. Подобные отключения можно компенсировать сравнительно небольшими устройствами. Мы стали работать над комбинированным преобразователем-накопителем энергии.

Если вместо ленточного использовать массивный сверхпроводник, магнитный поток в него «вмораживается», токоподводы не нужны. Ток в сверхпроводнике будет циркулировать бесконечно долго. Ротор без токопроводов выполняет одновременно функцию и маховика, и индуктора электрической машины. Конструктивно все это можно объединить в одном пространстве цилиндрической системы – маховик с электрической машиной внутри. Аналогичные работы ведут и швейцарские специалисты.

В своих машинах мы используем массивную ВТСП-керамику, изготавливаемую в МВТУ им. Баумана в Москве. Для подводов используются ленточные провода 0,3х10,5 мм с количеством жил более полусотни.

По сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками высокотемпературные пока еще достаточно дороги. Но в ближайшие 2-3 года эту проблему удастся решить. И тогда начнется настоящая революция в электромашиностроении.

Но уже и сейчас существуют такие области применения, где на первом месте стоит не технико-экономический эффект, а уменьшение массогабаритов. В первую очередь, это космические исследования.

Для космической программы Соединенных Штатов мы разработали узлы для компактного бортового автономного источника питания. Высокотемпературные сверхпроводники позволяют создавать очень маленькие машины с удельной массой 40 г/кВ•А. Для обмотки возбуждения машины на 3МВ•А мы сделали большой трековый модуль, отработали промышленную технологию. В результате в магнитной системе нам удалось достичь 96% критического тока, т.е. деградация в проводе ничтожно мала. Никому в мире еще не удалось выйти на такой уровень.

Из высокочистого алюминия (вместо серебра с присадкой золота) мы сконструировали обмотки для статора. Плотность тока в таком проводе при температуре жидкого гелия (состояние не сверхпроводящее, но гиперпроводящее) составляет 250 А/мм2.

Другое применение ВТСП-электромашин – системы электродвижения судов – ледоколов, военных кораблей. Сейчас мы делаем системы для двух ледоколов мощностью 110 и 60 МВт. Такие мощности для сверхпроводимости очень выгодны. В отличие от США и Японии, где эти работы активно финансируются, мы эти работы проводим на одном энтузиазме.

Система электродвижения представляет один из вариантов МГД-движения. Сквозь канал, на двух непроводящих сторонах которого располагаются мощные магнитные системы, прокачивается электропроводящая жидкость, например, морская вода. В зависимости от того, генератор это или двигатель мы можем получать электрический заряд или кинетический момент. В Японии на деньги миллионера построен катер на таком принципе движения.

Системы электродвижения исходно разрабатывались для больших подводных лодок, поскольку это система малошумная, что является одним из важнейших тактико-технических параметров подводного флота.

Но все работавшие над этой системой движения (США, Япония, Китай, Россия) уперлись в одну проблему – недостаточная соленость морской воды мирового океана, что приводит к очень низким скоростям. Пока эти работы отложены. Когда удастся сильным полем скомпенсировать низкую соленость воды для получения достаточного момента движения, к этим работам вернутся снова.

Сейчас мы сделали проработку задачи движения танкеров, перевозящих сжиженный газ. Если внутри сжиженного газа упаковать систему электродвижения, то можно было бы задействовать предложенный принцип, особенно в условиях доставки сжиженного газа по Северному морскому пути.

Еще одно направление – системы на магнитном подвесе. На железнодорожном транспорте такая система состоит из сверхпроводящего линейного двигателя с системой возбуждения на движущемся поезде и магнитного подвеса.

Конечно, такая система электродвижения по скоростям не может конкурировать с высокоскоростным рельсовым вариантом. Но для недальних перевозок, например, для связи между аэропортами, или доставки рабочей силы через туннель, как в Японии, эти системы очень комфортны.

Самый широкий рынок для низкотемпературной сверхпроводимости с переходом в ближайшее время к ВТСП – это компьютерная томография в медицине, позволяющая производить диагностику человеческого тела с очень высокой точностью.

И в заключение, несколько слов о работах в области физики высоких энергий. Одним из источников энергии будущего является термоядерный синтез – наиболее высокоэффективный способ получения энергии.

На первых шагах, когда еще только начинались работы по низкотемпературной сверхпроводимости, казалось, задача вот-вот будет решена. Сейчас стало понятно, что для реализации этого проекта понадобится не менее 50 лет. Такие огромные проекты ни одна страна в одиночку вести не в состоянии. В международном проекте по термоядерному синтезу от России участвуют две организации НИИЭФА и ВНИКП (Московский институт кабельной промышленности).

Токамак представляет из себя трансформатор с центральной первичной обмоткой, а функцию вторичной короткозамкнутой обмотки выполняет плазма. По периферии канала расположены сверхпроводящие катушки, которые сжимают кольцо плазмы.

В свое время США вышли из этой программы, но Европа совместно с Японией справилась с этим проектом. Теперь США просятся обратно, но все роли уже распределены.

Еще одно направление, по которому ведутся международные работы, создание ускорителей элементарных частиц. Канал ускорителя в Гамбурге, который также строился совместно с НИИЭФА, выглядит как туннель метро многокилометрового кольца. По всему кольцу расположена сверхпроводящая магнитная система. Одно из главных требований системы – высокая надежность, что как раз и обеспечивает сверхпроводимость при условии решения проблемы криогеники.

Для обычной магнитной системы, работающей в диапазоне 20-1100С, критичной становится проблема термомеханических деформаций, приводящих к разрушениям и последующим аварийным ситуациям вследствие коротких замыканий. Сверхпроводящая магнитная система работает постоянно при своей температуре, а значит не подвержена термомеханической деформации.

Энтузиазм наших ученых, которые продолжают вести уникальные разработки, совершенно не адекватен уровню отечественного финансирования этих работ.

Сохранению экспериментальной базы и высокого уровня разработок помогают, в основном, западные заказы. Но после 10 лет различных экспериментов и преобразований пора бы и нашему государству всерьез заняться отечественной наукой, создав ей не на словах достойные условия для развития.

назад

Материалы из архива

10.2008 Выставочная история

М.Ю.Ватагин, к.э.н24-26 сентября сего года в Киеве состоялась традиционная ежегодная международная выставка ТЭК. Учитывая половинную по объему производства значимость для Украины атомной энергетики, ей был посвящен отдельный день, названный ее именем. Почтить приехал Министр со свитой, высокие гости из белокаменной, специализирующие на ядерном топливе и атомном строительстве. Пригласили, пошел. Тем более было три вопроса, на которые более или менее вразумительно могла бы ответить именно эта публика.

1.2009 Мировое хозяйство или глобальная экономика?

В.М.Коллонтай, д.э.н., проф., гл.н.с., Институт мировой экономики и международных отношений РАН, МоскваО глобальной экономике говорят сейчас очень много. Этот термин как бы призван обобщить те новые явления, которые возникли в мировом хозяйстве за последние десятилетия. При этом каждый вкладывает в него свое собственное содержание. Поэтому начнем с уточнения подходов. Если под глобальной экономикой подразумевать результаты бурного роста международной торговли и инвестиций, то здесь явно есть обширная тема для разговора.

12.2008 Лучшей заменой АЭС в Литве будет газ

Константин Симонов, генеральный директор Фонда национальной энергетической безопасности: - Атомные станции очень сложно и дорого строить. Есть опасения, что заявленные "советские" темпы - по два реактора в год - соблюдаться не будут, тем более в условиях кризиса. У нас в этой сфере достаточно много проблем - и в машиностроении, и у всех остальных участников производственной цепи. Надо понять, кто будет строить реакторы, кто будет строить станции, и надо помнить, что мощностей для строительства реакторов очень мало,..