Сверхпроводники, казавшиеся вчера экзотикой, ныне стали практически обыденностью, как когда-то полупроводники. Особенно большие надежды возлагают на их применение при создании электротехнического оборудования. О новом поколении сверхпроводниковых технологий рассказал член- корреспондент РАН Н. А. Черноплеков, директор Института сверхпроводимости и физики твердого тела РНЦ "Курчатовский институт".

Сверхпроводимость, как физическое явление, открыл в 1911 г. нидерландский ученый, иностранный член АН СССР Г. Камерлинг-Оннес. Но только 40 лет спустя, на базе сверхпроводящих материалов и техники, работающей при криогенной температуре, стало возможным появление низкотемпературных сверхпроводящих технологий. А они позволили разработать такие уникальные исследовательские установки, как ускорители заряженных частиц на сверхвысокие энергии, детекторы для ядерной физики и физики элементарных частиц, лабораторные магнитные системы, измерительные приборы рекордной чувствительности и точности, оборудование, ставшее предметом прямого коммерческого интереса. О последнем следует сказать особо.

Здесь мы получаем либо принципиально новое качество производимой продукции, как, скажем, в случае с магниторезонансными томографами или высокоградиентными магнитными сепараторами, либо совершенно новое оборудование, вроде сверхпроводниковых индуктивных накопителей электроэнергии с неограниченным сроком ее хранения.

Далее ученый остановился на физических свойствах сверхпроводников. Их всего четыре. Во-первых, при определенных условиях (когда значение магнитного поля ниже так называемого мейснеровского ^* ) сверхпроводники обладают идеальным диамагнетизмом - магнитное поле не проникает внутрь проводника. Во-вторых, магнитный момент таких геометрических тел, как сверхпроводящее кольцо или полый цилиндр, может изменяться на величину кванта магнитного потока, равную 2 х 10 ^-7 Гс х см ² . Третье очень важное свойство - поверхностное сопротивление сверхпроводников при частотах, ниже критических, в 10-100 раз меньше аналогичного у хорошо проводящих материалов (медь, алюминий) при тех же температурах. И наконец, благодаря эффекту Джозефсона ^** в них ток может протекать без падения напряжения через туннельный контакт, образованный двумя сверхпроводниками, разделенными тонким слоем (в нм) диэлектрика.

Первые два названных свойства положены в основу сильноточных сверхпроводниковых технологий, предназначенных для производства устройств больших мощностей и запасенных энергий (конденсаторов).

Подобные "монстры" применяют в электроэнергетике, а с некоторыми вариациями - и в других отраслях промышленности и транспорта.

Остальные свойства пригодились в слаботочных сверхпроводниковых технологиях, используемых при изготовлении телекоммуникационной техники, научного и медицинского оборудования, в прецизионном приборостроении.

Сильноточное направление в сверхпроводниковых технологиях стало бурно развиваться в середине 70-х годов XX в. Лидерство здесь захватили СССР и США. В нашей стране наладили промышленное производство соответствующих материалов и криогенного оборудования, работающего при температурах жидкого гелия (ниже -270С). А в академических и отраслевых институтах активно работали над самими устройствами - от лабораторных магнитов для научных исследований в физике, химии, биологии до крупных, индустриальных установок по магнитному удержанию горячей термоядерной плазмы или импульсные источники энергии большой мощности на базе индуктивных накопителей.

Основу технических сверхпроводящих материалов составляли два вещества. Это деформируемый сплав ниобий-титан с параметрами: критическая температура - 9,6 К при нулевых магнитном поле и токе, критическое магнитное поле - 12 Тл при 4,2 К (температура кипения жидкого гелия при нормальном давлении), нулевом токе и критической его плотности, равной

^* Эффект Мейснера - вытеснение магнитного поля из вещества при его переходе в сверхпроводящее состояние (прим. ред.).

^** Эффект Джозефсона - протекание сверхпроводящего тока через тонкий (около 10 А) слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (прим. ред.)

стр. 48

3 х 10 ⁹ А х м ^-2 при 4,2 К и в магнитном поле, равном 5 Тл.

Вторым сверхпроводником, освоенным промышленностью позже, стало интерметаллическое соединение ниобия с цинком. Оно несколько расширило диапазон рабочих температур и магнитных полей для сверхпроводниковых устройств. Материал на этой основе имел критическую температуру 18,3 К при нулевых магнитном поле и токе, а критическое магнитное поле составляло около 22 Тл при 4,2 К и нулевом токе.

Сверхпроводники представляют собой композитные конструкции из разнородных материалов с ультратонкими (до долей микрона) нитями, выпуск которых освоили СССР, США, Япония, Германия и ряд других развитых стран. Их характеристики практически перекрывали прогнозируемые потребности всего электротехнического и электроэнергетического оборудования.

Что касается прикладной сверхпроводимости, то исследования начали в середине 60-х годов XX в. И новшества посыпались как из рога изобилия. Это сверхпроводниковые варианты практически всех основных устройств, генерирующих, передающих, преобразующих и потребляющих электрическую энергию в промышленном масштабе. Достаточно показательной иллюстрацией этому служит отечественная программа по сильноточной сверхпроводниковой технологии гелиевого уровня температур для электротехники и электроэнергетики.

За истекшее время удалось создать и испытать модели и опытно-промышленные образцы сверхпроводниковых турбогенераторов мощностью от 1 до 20 МВт и даже 300 МВт. Кроме того, были введены в строй коллекторные и бесполярные ^* (их еще называют униполярные) двигатели мощностью до 10 М Вт, трансформаторы, токоограничители, гибкие и жесткие линии электропередачи, индуктивные накопители энергии и т. д.

Конечно, создание нетрадиционных видов электротехнического оборудования потребовало выполнения большого комплекса сопутствующих научных исследований и разработок принципиально новых методов электромагнитных, механических, теплофизических и гидродинамических расчетов с их экспериментальной верификацией на макетах и моделях. В результате "путевку в жизнь" получили три типа сверхпроводниковых устройств гелиевого уровня температур: магниторезонансные томографы со сверхпроводящими магнитами, сверхпроводниковые сепараторы и малые индуктивные накопители энергии.

Производство магниторезонансных томографов начали в 80-е годы XX в. Благодаря хорошему качеству диагностики, связанному с высокой индукцией магнитного поля, стабильностью во времени и пространственной однородностью так называемого замороженного магнитного поля сверхпроводящего соленоида, они к середине 90-х годов сильно потеснили более дешевые томографы с резистивными или постоянными магнитами. Сейчас ежегодно выпускают около 1000 сверхпроводниковых магниторезонансных аппаратов, а прибыль от их продаж уже превышает 2 млрд. долл. в год.

Что касается двух других устройств, то на пути своего развития они делают только первые шаги. Скажем, в России создан объемно-градиентный магнитный сепаратор для обогащения бедных железистых кварцитов.

В целом итогом сорокалетнего развития сверхпроводниковой технологии гелиевого уровня температур стали отдельные уникальные электрофизические установки. Однако все это не смогло существенно повлиять на изменение всего облика промышленной энергетики.

Положение радикально изменилось в 1986 г., когда были открыты так называемые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с критическими температурами, заметно превышающими точку кипения азота (77,3 К) при нормальном давлении, что, казалось бы, давало возможность использовать последний в качестве хладоагента вместо невозобновляемого и дорогого жидкого гелия. К середине 90-х годов были разработаны ВТСП-провода первого поколения и начат их опытно-промышленный выпуск в США, Японии, ряде стран Европы, в том числе и России. Такие провода производят главным образом так называемым методом "порошок в трубе". Здесь в

^* Бесполярный двигатель (генератор) - бесколлекторная электрическая машина постоянного тока, действие которой основано на явлении униполярной индукции, т.е. возникновении эдс индукции в намагниченном теле, движущемся под некоторым углом к направлению оси намагничивания (прим. ред.).

стр. 49

процессе термомеханохимической обработки заготовки из серебряной трубки, заполненной порошкообразным ВТСП, формируется лента сечением 4 х 0,3 мм ² и длиной до 1000 м. Ее изготавливают на основе соединения из пяти компонентов (висмут, стронций, кальций, медь и кислород), упакованного, как уже говорилось, в серебряную оболочку. Несмотря на сравнительно низкую критическую температуру этого провода (около 90 К), его технологические свойства позволяют достигать высокой плотности критического тока в сильных магнитных полях при температурах 20-30 К, что превышает возможности всех освоенных до сих пор материалов при температуре 4,2 К.

Параллельно развивалась криогенная техника. Появились компактные, с большим ресурсом безостановочной работы микроохладители, надежность которых приближается к таковой домашнего холодильника. Именно технические успехи в этом направлении сделали возможным широкое распространение в клиниках магниторезонансных томографов с использованием гелиевого уровня температур, привели к созданию первых промышленных сверхпроводниковых сепараторов и малых индуктивных накопителей энергии для систем бесперебойного энергообеспечения ответственных потребителей.

Ныне сильноточные сверхпроводниковые технологии вышли на уровень, открывающий перспективы для разработки нового поколения электроэнергетического оборудования, существенно превосходящего традиционное за счет более высокой эффективности, уменьшения в 2- 3 раза массы и габаритов и, соответственно, материалоемкости, повышения надежности и срока службы, экологичности и т. д. Правда, процесс вхождения нового оборудования вряд ли будет взрывным. Скорее это произойдет эволюционно, но с заметной скоростью нарастания. Широкое применение сверхпроводникового электротехнического оборудования как при генерации электроэнергии, так и при ее транспортировке и потреблении позволит увеличить эффективность его использования на 5-7 %, а следовательно, на ту же величину сократить потребление первичных энергоносителей. Однако значение новой технологии этим не ограничивается. Преобразование коснется и машиностроения, и металлургии, и горнодобывающей, перерабатывающей промышленности, и различных видов транспорта и т.д.

Россия остается одним из участников таких престижных международных проектов, как экспериментальный термоядерный реактор и сверхпроводниковый ускоритель - Большой адронный коллайдер. Вместе с тем отечественные исследователи и разработчики сверхпроводящих материалов, магнитных систем различного назначения и нетрадиционного оборудования готовы совместно с промышленностью приступить к активному усовершенствованию электротехнического и электроэнергетического оборудования на базе современных сверхпроводниковых технологий и криогенной техники, конкурентоспособной на мировом рынке.

Черноплеков Н. А.

Сверхпроводниковые технологии: современное состояние и перспективы практического применения. - Вестник РАН, т. 71, N 4, 2001.

Материал подготовил А. К. МАЛЬЦЕВ

Постоянный адрес данной публикации: