Виталий С. Высоцкий

Научный руководитель отделения ОАО «ВНИИКП»

vysotsky@gmail.com

ВВЕДЕНИЕ. ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ И ПРИКЛАДНАЯ НАУКА И СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Существует два типа науки: фундаментальная и прикладная. В фундаментальной науке любой полученный результат, как положительный, так и отрицательный, считается приемлемым.

В прикладной науке необходимо получить строго определённый результат, в определённые сроки и, что самое страшное, ещё и в рамках заданного бюджета! Поэтому прикладная наука может быть гораздо сложнее.

Мы с коллегами работаем в области ПРИКЛАДНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ. И, в частности, в области КРУПНОМАСШТАБНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ (large scale application of superconductivity).

Это очень сложно, но невероятно интересно. Так каковы же достижения в крупномасштабных применениях сверхпроводимости? В большой степени вы можете почитать в предыдущем посте – там всё правильно написано. Понятно, что помимо МРТ (единственное и крупнейшее применение сверхпроводимости с рынком более 3 миллиардов Евро в год), еще есть и крупные магниты для ИТЭР (управляемый термоядерный синтез – УТС), ускорителей элементарных частиц (физика высоких энергий – ФВЭ) и множество магнитов с полями до 20 Тл для исследования, ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и другие применения. Вроде бы масса успехов?!

Но есть одно НО!

Сверхпроводимость интересна своим нулевым сопротивлением и способностью передавать ток без потерь. Однако не всё так просто, и необходимо преодолеть множество проблем, включая необходимость глубокого охлаждения. Пусть даже и дешевым и легкодоступным жидким азотом.

Главное применение сверхпроводимости — это, в конце концов, магниты! Это самая заманчивая цель! Также интересны приложения в области электроэнергетики.

Необходимо учитывать, что существуют также два типа применений сверхпроводников: Дающие возможность – enabling когда мы не можем сделать что-либо без сверхпроводимости.

Замещающие – replacing, когда проблему можно решить и без сверхпроводимости, но сверхпроводимость может обеспечить некоторые новые преимущества.

В этой связи нельзя не упомянуть слова сотрудника Министерства энергетики США Дэйва Саттера (рис. 1): «Сверхпроводимость абсолютно худшая из всех возможных технологий, кроме случаев, конечно, когда у вас нет другого выбора!» То есть, полный успех применения сверхпроводимости возможен только в случае enabling технологий.

Рисунок 1. Ещё один критерий использования сверхпроводимости.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАГНИТЫ: МРТ, ЯМР И МЕГАСАЙЕНС.

Пока единственным, реально коммерческим, живущим, и процветающим и громадным рыночным применением сверхпроводимости являются магниторезонансные (МРТ)сканеры со сверхпроводящими магнитами. Нет другого способа создать высокостабильное по времени поле при этом ещё и высокооднородное в таком объёме, в котором можно расположить человека. Это несомненно enabling применение! Ежегодно в мире производится несколько тысяч сканеров с полями 1.5 Тл и 3 Тл. А как специальное и наивысшее достижение на сегодня -это работающий МРТ с полем в 11.75 Тл для исследований мозга в реальном времени. Запущен во Франции в 2021 году (рис.2).

Рисунок 2. Самая мощная МРТ система в мире с полем 11.75 Тл, позволяющая исследовать процессы в мозгу человека в реальном времени.

Еще одно enabling применение, это спектрометры на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Как и в случае с МРТ, нет другого способа получить необходимое высокое и стабильное магнитное поле. И чем выше поле, тем более высокая разрешающая способность таких спектрометров, позволяющая изучать все более тонкую структуру белков. Самый мощный современный ЯМР спектрометр имеет поле 30.5 Tл, работая на частоте 1.3 ГГц (Рис. 3). Наблюдаем появление ВТСП в составе полностью сверхпроводящего магнита!

Рис 3. ЯМР установка с полностью сверхпроводящим с полем в 30.5 Тл. Магнит состоит из внешних секций на основе NbTi и Nb3Sn, а внутренняя секция выполнена из высокотемпературного сверхпроводника.

Нет возможности обойтись без сверхпроводимости и в так называемых мегасайенс-проектах. Крупных, часто международных установках для различных исследований.

Современные ускорители и прогресс в физике высоких энергий невозможны без сверхпроводящих магнитов. У всех на слуху Большой адронный коллайдер БАК – LHC) и пойманный им бозон Хиггса. Сейчас ведётся разработка модернизации БАК – HiLumi— увеличение светимости пучка с помощью магнитов из модернизированного ниобий-оловянного провода Nb3Sn для повышения магнитного поля и уплотнения пучков перед столкновением. Это также enabling применение! Что будет дальше, за LHC – интенсивно обсуждается, но явно без использования ВТСП не обойтись.

Другой пример Международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР, строящийся в Приморских альпах во Франции. В его сооружении принимает более половины населения человечества в лице семи сторон: Европейский союз (как единая сторона), Индия, Китай, Япония, Южная Корея, США и Россия. В магнитной системе ITER используется приблизительно 600 тонн Nb3Sn и такое же количество NbTi. К 2016 году 20% проводников и кабелей было поставлялось из России – все задачи были выполнены полностью и поставки закончены. Кабели Nb3Sn из России оказались наиболее стабильными! В настоящее время все катушки магнитной системы токамака изготовлены и ожидают испытаний в холодном состоянии, а часть уже монтируется. Конечно, это enabling применение – других возможностей получать магнитное поле в таких объёмах нет.

Если же говорить о магнитах для различных исследований, то на сегодняшний день максимально достигнутое поле составляет 48.7 Тл. Но не просто так, а внутри большого водоохлаждаемого магнита. Это достижение Национальной лаборатории сильных магнитных полей в г. Таллахасси, Флорида, США.

Главное, что надо отметить, такие высокие поля получают с помощью высокотемпературных сверхпроводников, но работающих не при температуре жидкого азота, а при достаточно низких температурах жидкого водорода или гелия. Это основной тренд в использовании сверхпроводимости в настоящее время.

Рисунок 4. «Маленькие большие катушки» - небольшие вставки на основе высокотемпературных сверхпроводников в большие водоохлаждаемые магниты. Позволяют получить действительно очень большое поле. На сегодня 48.7 Тл - самое высокое поле, полученное с помощью сверхпроводимости.

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Но давайте всё же вернёмся к электроэнергетике. Открытие ВТСП с критической температурой выше температуры жидкого азота возродило многие надежды, и начались интенсивные работы: до середины 2010-х годов это были самые популярные направления исследований и разработок в области крупномасштабных применений сверхпроводимости. На рис. 5 показано, что виделось и как ожидалось применение сверхпроводимости в 2008 году.

Рисунок 5. Ожидания в исследованиях и разработках в области применения сверхпроводимости в электроэнергетике в 2008 году.

Что же мы имеем к 2026 году?

ВТСП сверхпроводящие силовые кабели — это действительно самые передовые технологии. Их уже много по всему миру, и даже кое где в энергосетях. На рис. 6 показаны примеры рекордных сверхпроводящих кабелей в разных номинациях.

Рисунок 6. Примеры рекордных по параметрам сверхпроводящих силовых кабелей.

Следует отметить, наибольшее развитие силовых сверхпроводящих кабелей получило в Южной Корее. Благодаря программе DAPAS, действовавшей с 2001 по 2011 год, которая обеспечивала софинансирование со стороны правительства и энергетических компаний, Корея продемонстрировала наиболее мощное развитие сверхпроводящей электроэнергетики, в частности, кабелей. И первой разработала, изготовила и установила коммерческий сверхпроводящий силовой кабель 154 кВ-50 МВА, длиной в 1 км по заказу энергетической компании.

А абсолютный рекорд по длине кабеля сегодня принадлежит России! В НТЦ ФСК ЕЭС совместно с многочисленными партнёрами, разработан, изготовлен, испытан, установлен между двумя подстанциями в Санкт-Петербурге, повторно испытан при установке и теперь готов к передаче электроэнергии силовой сверхпроводящий кабель постоянного тока длиной 2.4 км, 20 кВ, 50 МВт (рис.7). Это выдающееся достижение, главное в котором: преодоление инерции и сопротивления энергетиков новым технологиям.

Тем не менее, ВТСП силовые кабели всего лишь замещающая replaced технология. Преодолеть консерватизм энергетиков невероятно трудная задача, им и так хорошо с обычными кабелями и высокими напряжениями.

Рисунок 7. Самый длинный в мире сверхпроводящий силовой кабель постоянного тока, установленный между двумя подстанциями в Санкт-Петербурге.

Другим важным достижением в электроэнергетике, которое также принадлежит России, является московский ограничитель тока короткого замыкания. Самый мощный в мире ОТКЗ для напряжения 220 кВ был разработан и поставлен компанией «СуперОкс» и успешно работает в московской сети на подстанции «Мневники» (рис.8). Компания обсуждает заказы на еще несколько подобных токоограничителей. И это потому, что токоограничители для энергосетей напряжением >100 -200 kV – являются enabling решением. Ток короткого замыкания на таких подстанциях может превышать 60-100 кА и обычными коммутаторами его разорвать не получается. А вот сверхпроводящим – можно.

Рисунок 8. Сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания, установленный на подстанции в Москве. В работе с 2019 года.

Что же ещё можно сказать по сверхпроводящей электроэнергетике?

Высокотемпературные сверхпроводящие машины: популярны, существует множество прототипов, особенно для применения в морской и авиационной отраслях, а также для ветрогенераторов. Но реального внедрения пока нет. Но мы надеемся!

ВТСП трансформаторы: честно говоря, никому не нужны. Хотя несколько прототипов были разработаны и протестированы энтузиастами.

НТСП и ВТСП индуктивные накопители: после появления суперконденсаторов их применение и потребности стали весьма ограниченными. Некоторые энтузиасты продолжают разработку.

Поэтому по сверхпроводящей электроэнергетике можно сделать следующие выводы:

ВТСП силовые кабели: зрелая технология, фактически коммерческий продукт. Главная проблема – консервативность энергетиков и по-прежнему высокая стоимость основных сверхпроводников. Замещающая технология. Много «бумажных проектов».

ВТСП токоограничители: разработана базовая технология, фактически, коммерческий продукт. Основная проблема: консервативность энергетиков и по-прежнему высокая стоимость основных сверхпроводников. Востребована в определённых нишах, потому что это enabling технология.

ВТСП машины: обладают определённым потенциалом для специальных применений (морской транспорт, авиация) и экологически чистой энергетики (ветрогенератор). Замещающая технология.

Другие применения – только идеи и прототипы.

Однако возможности сверхпроводимости в электроэнергетике этим не исчерпываются. В России впервые в мире были разработаны и испытаны прототипы, так называемых гибридных энергетических транспортных магистралей. В таких магистралях энергия передаётся химическим носителем: жидким водородом или жидким природным газом, которые также используются и как хладагент. А в трубу с жидким и холодным носителем энергии помещается сверхпроводящий силовой кабель, который добавляет значительную часть электрической энергии к потоку химической энергии. Два первых российских прототипа таких систем, испытанных в 2011-2013 годах, показаны на рис. 9.

Рисунок 9. Прототипы гибридных энергетических магистралей. Слева: первый прототип– 10 м, первый в мире образец такой системы в металле; справа - второй прототип – 30 м, 25 кВ, 75 МВт электрической, 60 МВт химической мощности. Премия Правительства РФ 2012 года.

СМЕНА ПАРАДИГМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

С середины 2010-х, парадигма использования ВТСП изменилась:

Применения ВТСП в электроэнергетике при температуре жидкого азота разработаны и практические проблемы, связанные с кабелями, которые, являются крупнейшим потребителем материалов, полностью решены: это коммерческий (но ОЧЕНЬ ДОРОГОЙ) продукт.

Для электроэнергетики это на самом деле не очень нужно и не хочется да и сложно и дорого. Потому что (за исключением ограничителей тока короткого замыкания) все проекты — это технологии замены - replacement technologies.

Однако высокие магнитные поля в диапазоне 16-20 Тл в больших объемах (магнитные системы для управляемых термоядерных установок, магниты ускорителей и т. д.) невозможно создать без высокотемпературных сверхпроводников, но при использовании ВТСП температурах ниже 20 К! Это абсолютно enabled решение!

Новые направления: высокотемпературные сверхпроводники при температурах ниже жидкого водорода. Причём главным образом для электромагнитных систем установок управляемого термоядерного синтеза. Управляемый термоядерный синтез (особенно разработки в частных компаниях в США!) сейчас являются движущей силой производства ВТСП! Расширение потребления и производства ВТСП приводит к снижению их цены. Компания Faraday Factory в Японии, которая выросла из российской компании «СуперОкс» увеличила производство лучших в мире ВТСП лент в несколько раз и достигла уровня несколько тысяч километров в год. Пытаются не отстать и все остальные производители ВТСП, в результате чего снижается стоимость сверхпроводников. Это, конечно, хорошо для всех потребителей высокотемпературных сверхпроводников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теперь мы можем перейти к выводам, что же происходит в крупномасштабных применениях сверхпроводимости в настоящее время.

• Использование ВТСП в электроэнергетике, где не требуются сильные магнитные поля, – вполне реально при температурах жидкого азота.
• Применение ВТСП перспективно, а силовые кабели и ограничители тока уже рассматриваются в качестве коммерческой продукции.
• ВТСП-материалы уже доступны на мировом рынке, и лучшие из них – российские REBCO (S-Innovation – Faraday Factory).
• Необходимо создавать рынок ВТСП-устройств, включая обучение и подготовку инженеров-энергетиков!
• Основные направления – кабели и ограничители тока, а также, возможно, генераторы для ветрогенераторов, военные применения (размагничивающие кабели и электрические судовые двигатели).
• Важное новое направление - использование ВТСП при температурах водорода и гелия.
• Сверхпроводимость достигла больших успехов с НТСП: МРТ, ЯМР, исследовательские магниты, ускорители, детекторы и токамаки…
  • НТСП не совсем достигла предела, но достигла зрелости.
  • Максимальные поля: с NbTi до 10 Тл; с NbSn до 21-23 Тл в малых магнитах и до 12-16 Тл в больших магнитах
• Основная современная тенденция: высокотемпературные сверхпроводящие магниты при более низких температурах (< 20 К)
• Современное состояние магнитов ВТСП:
  • С магнитами с водяным охлаждением до 48,7 Тл;
  • Полностью сверхпроводящий магнит – 33 Тл
• Возможен полностью сверхпроводящий магнит на 40-50 Тл.
• Перспективные проекты
  • ЯМР с полями 33+ Тл, ближайшая цель 35-40 Тл;
  • Токамаки с полем 16-20 Тл
  • Ускорители с полями > 16-20 Тл