Сверхпроводник ведет Россию вперед

24.02.15 08:28

Совсем не жаркая ВТСП

В начале ХХ века было открыто, что ряду металлов и сплавов свойственна сверхпроводимость, то есть способность обладать нулевым сопротивлением, при температуре, близкой к абсолютному нулю (около -270°С). Долгое время сверхпроводники можно было использовать только при температуре жидкого гелия, что позволило создать ускорительное оборудование и магнитно-резонансные томографы.

В 1986 г. открыли сверхпроводимость при температуре около 30К, что было удостоено Нобелевской премии, а в начале 1990-х гг. удалось достичь сверхпроводимости уже при 138К, причем в качестве сверхпроводника использовались уже не металлы, а оксидные соединения.

Керамические материалы, обладающие нулевым сопротивлением при температуре выше температуры жидкого азота (77К) получили название высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Однако если мы переведем Кельвины в более привычные для нас градусы Цельсия, то поймем, что речь идет о не слишком высоких температурах, скажем, порядка минус 169–200°С. Такие условия даже суровая русская зима обеспечить не в состоянии.

Умы исследователей будоражит идея найти материалы, способные переходить в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре (293К). Теоретически такая возможность существует. По некоторым данным, сверхпроводящие свойства якобы удавалось зафиксировать даже у отдельных зерен графита после специальной обработки. На сегодняшний день поиск «комнатнотемпературных» сверхпроводников (КТСП) считается одной из ключевых исследовательских задач в области нанотехнологий. Однако пока не только практическое применение, но и надежное экспериментальное подтверждение КТСП остается вопросом завтрашнего дня. Сегодняшняя электроэнергетика осваивает использование ВТСП.

Оборудование на основе высокотемпературной сверхпроводимости требует охлаждения жидким азотом. Как отмечают эксперты отрасли, это относительно дешевый и удобный хладагент, обеспечивающий температуру 77К и позволяющий реализовывать практические проекты.

 

На производственных площадях ЗАО «СуперОкс»

Польза сверхпроводимости

Сверхпроводимость может использоваться (и уже используется) в самых разных сферах. Впервые она была применена при создании магнитов с высокими полями. С помощью сверхпроводников может быть обеспечена магнитная левитация, позволяющая высокоскоростным поездам двигаться плавно, без шума и трения. Создаются ВТСП электродвигатели для судов и промышленности, которые обладают существенно меньшими массогабаритными параметрами при равной мощности. Сверхпроводимость интересна с точки зрения микроэлектроники и компьютерной техники. Низкотемпературные сверхпроводники применяются в медицинских диагностических аппаратах (томографах), и даже в таких экзотических проектах «меганауки», как большой адронный коллайдер и международный термоядерный реактор.

С высокотемпературной сверхпроводимостью связаны надежды на преодоление глобальной энергетической дилеммы, связанной, с одной стороны, с постоянным ростом энергопотребления в настоящем и будущем, а с другой стороны, с необходимостью радикально сокращать выбросы углекислого газа, чтобы предотвратить изменения климата. Ведь по сути дела ВТСП выводит привычное оборудование для генерации и передачи электроэнергии на принципиально новый уровень с точки зрения эффективности.

Одно из самых очевидных применений сверхпроводников связано с передачей электроэнергии. ВТСП кабели могут передавать значительную мощность при минимальном сечении, то есть обладают пропускной способностью другого порядка, нежели традиционные кабели. При прохождении тока через сверхпроводник не выделяется тепло, и практически отсутствуют потери, то есть решается главная проблема распределительных сетей.

Генераторы благодаря обмоткам из сверхпроводящих материалов, обеспечивающим огромные магнитные поля, становятся значительно мощнее. К примеру, концерн Siemens построил три ВТСП генератора мощностью до 4 МВт. Машина в два раза легче и меньше по сравнению с обычным генератором той же мощности. Также, ВТСП генератор показал большую устойчивость по напряжению при изменении нагрузки и более высокие характеристики с точки зрения потребления реактивной мощности.

Сегодня в мире активно ведутся разработки ветрогенераторов на основе высокотемпературной сверхпроводимости. При использовании ВТСП обмоток реально создание ВТСП генераторов мощностью 10 МВт, которые будут в 2–4 раза легче обычных.

Перспективная сфера для широкого применения сверхпроводников — накопители энергии, роль которых также велика с точки зрения развития современных энергосистем, использующих возобновляемые источники энергии. Даже привычное электрооборудование, такое как трансформаторы, приобретает качественно новые характеристики благодаря ВТСП.

Сверхпроводимость позволяет создавать такие необычные устройства как ограничители тока короткого замыкания, полностью автоматически ограничивающие ток при замыкании и автоматически же включающиеся при снятии КЗ.

Процесс намотки ВТСП провода на катушку
 

Лента второго поколения

Что же из этих многообещающих идей уже удалось воплотить на практике, и чьими усилиями? В первую очередь нужно отметить, что на сегодняшний день на рынке представлены высокотемпературные сверхпроводники первого и второго поколения (ВТСП-1 и ВТСП-2). По объему выпущенной на сегодняшний день продукции пока выигрывают ВТСП-1, но для экспертов очевидно, что будущее за сверхпроводниками второго поколения. Это связано с тем, что в конструкции сверхпроводников ВТСП-2 более 70% составляет матрица, изготовленная из серебра.

Одна из ключевых российских компаний, работающих над темой сверхпроводников второго поколения, — ЗАО «СуперОкс». Зародилась она в стенах МГУ имени Ломоносова, где научная группа химического факультета работала над технологией осаждения тонких пленок сверхпроводников. В 2006 г. на базе накопленных знаний был запущен коммерческий проект по созданию отечественного производства ВТСП-проводов 2-го поколения. 

В 2011 г. сфера интересов «СуперОкс» была расширена за счет тесного взаимодействия с вновь созданной компанией SuperOx Japan LLC. Была создана пилотная производственная линия, позволяющая производить ВТСП-провод с критическим током до 500 А/см ширины. С 2011 г. компания «СуперОкс-Инновации» также является резидентом «Сколково», где ведет прикладные исследования, направленные на оптимизацию технических характеристик ВТСП лент второго поколения, разрабатывает различные технологии производства этих материалов. В 2013 г. было запущено производство ленты ВТСП-2 в московском технопарке «Слава».

«Наш продукт, сверхпроводящая лента второго поколения представляет собой подложку из специальной нержавеющей стали, устойчивой к высоким температурам, которая впоследствии при нанесении тонких пленок не теряет своих механических свойств, — рассказывает Вадим Амеличев, ведущий специалист ЗАО «СуперОкс». — Специальными методами на эту подложку наносятся буферные оксидные слои, а в качестве функционального слоя — пленка купрата гадолиния-бария. Затем эта структура покрывается тонкими слоями серебра или меди, и в таком виде используется в сверхпроводниковых устройствах.

У такого материала при толщине пленки всего в один-два микрона токопроводящая способность около 500 А на 1 мм² сечения, то есть в сотни раз больше, чем у обычного медного кабеля. Соответственно, такая лента идеальна для применений, где требуется высокий ток. Кабели на большие токи, магниты на большие поля — основная область применения».

«СуперОкс» обладает полным циклом производства ленты ВТСП-2. В 2012 г. стартовали продажи этого инновационного продукта, и сейчас материал поставляется не только в Россию, но и экспортируется в девять стран, в том числе Евросоюз, Японию, Тайвань и Новую Зеландию.

«В мире не так много производителей ленты ВТСП-2, — поясняет Вадим Амеличев. — Есть две американские фирмы, компании в Южной Корее и Японии. В Европе кроме нас никто в промышленных масштабах такую ленту не производит. Нашу ленту тестировали во многих исследовательских центрах и подтвердили конкурентоспособность ее характеристик».

На производственных площадях ЗАО «СуперОкс»
 

Развить новую индустрию

«Несмотря на то, что высокотемпературная сверхпроводимость появилась совсем недавно, вопросами ее применения в технике интенсивно занимаются в технологически развитых странах мира, — рассказывает Виктор Панцырный, д.т.н., действительный член АЭН РФ, директор по развитию АО «Русский сверхпроводник», — В нашей стране в рамках Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России инициирован проект «Сверхпроводниковая индустрия» как часть проекта «Инновационная энергетика» по приоритетному направлению «Энергоэффективность». 

Данный проект в области сверхпроводниковой индустрии координирует  компания «Русский сверхпроводник», созданная Госкорпорацией «Росатом». За пятилетку с 2011 по 2015 г. здесь планируют создать конкурентоспособные технологии производства высокотемпературных сверхпроводников второго поколения, опытное производство длинномерных (до 1000 м) ленточных проводов ВТСП-2, а также разработать прототипы оборудования на основе ВТСП-2 проводов для электроэнергетики. Это и генераторы большой мощности, и ограничители тока (СОТ), и кинетические накопители энергии (КНЭ), а также мощные токовводы для магнитных систем, индуктивные накопители энергии (СПИН), трансформаторы, электродвигатели большой мощности.

С 2016 г. планируется запустить серийное производство ВТСП-2 проводов и ряда устройств на их основе. В работах по данному проекту участвуют около 30 организаций, включая ВУЗы, академические и отраслевые научно-исследовательские центры, проектные бюро и промышленные организации, в частности ОАО «ВНИИНМ», ОАО «НИИЭФА», ОАО «НИИТФА», ОАО «ГИРЕДМЕТ», ОАО «НИФХИ», ОАО ТВЭЛ, ОАО «Точмаш» так и вне его, в НИЦ «Курчатовский институт», ЭНИН им. Кржижановского, ФГБОУ МАИ, НИЯУ МИФИ, ГУАП, ОАО «Россети», ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», ЗАО «СуперОкс», ОАО «ВНИИКП», ОАО «НИИЭМ», ОКБ «Якорь» и др.

«Структурно проект состоит из девяти задач, выполняемых параллельно, — поясняет Виктор Панцырный. — С 2011 по 2013 гг. удалось создать первые отечественные действующие макеты сверхпроводниковых машин — двигатель и генератор мощностью 50 кВт, кинетический накопитель энергии на 0,5 МДж, сверхпроводниковый ограничитель токов короткого замыкания мощностью 3,5 МВт для энергетических сетей напряжением 3,5 кВ, сверхпроводниковый трансформатор мощностью 10 кВА, токовводы для магнитных систем, пропускающие ток 1500А.

Также созданы основы технологии полностью отечественного производства ленточных проводов ВТСП-2, начиная от сырьевых материалов и заканчивая методами контроля готовой продукции. Были найдены основные технологические решения, позволившие перейти к созданию полномасштабных прототипов энергетических устройств. Так в настоящее время завершается работа по созданию двигателя мощностью 200 кВт».

Благодаря применению ВТСП-2 обмоток такой двигатель при его установке на электромобиль (электробус) позволит увеличить пробег на 15–20% между подзарядками аккумуляторных батарей. Изготовлен и готовится к испытаниям в сети железнодорожного транспорта сверхпроводящий ограничитель токов короткого замыкания мощностью более 7 МВА. Завершается изготовление генератора мощностью 1 МВА, перспективного для применения в ветряных энергетических установках.

На базе уникальных технологий Росатома создается кинетический накопитель энергии со сверхпроводниковым подвесом маховиков, который имеет энергоемкость более 7 МДж. Следует отметить разработку индуктивного накопителя энергии, способного в предельно короткое время отдать аккумулированную энергию до нескольких МДж. В завершающей стадии находятся и работы по созданию сверхпроводникового трансформатора мощностью уже 1000 кВА. 

«Кроме того, важнейшими результатами проекта будут создание мощной экспериментальной и технологической базы, а также формирование коллективов высококвалифицированных специалистов в сфере сверхпроводниковых технологий, — заключает Виктор Панцырный. — В этом году в НИЦ Курчатовский институт заработает комплексная производственно-исследовательская линия по получению ВТСП-2 ленточных сверхпроводников методом лазерной абляции. Линия станет инструментом развития науки и технологии ВТСП материалов, используя в максимальной степени мощную научную инфраструктуру курчатовского НБИКС центра. Это позволит интенсивно развивать перспективную высокотехнологичную область, ведущую к коммерциализации сверхпроводниковых технологий».

Презентация левитирующего механизма на основе ВТСП провода: Андрей Вавилов объясняет принцип работы модуля во время приема мэра Москвы С. Собянина в Технопарке «Слава»
 

Кабели переменного тока

Нельзя не рассказать о российском проекте по созданию сверхпроводящего кабеля длиной 200 м. Над созданием кабеля работали ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» (ЭНИН), ОАО «Всероссийского научно-исследовательский институт кабельной промышленности» (ВНИИКП), Московский авиационный институт и ОАО «НТЦ электроэнергетики». Разработка началась в 2005 г., в 2009 г. был создан опытный образец, успешно прошедший испытания на специально созданном уникальном полигоне.

Основные достоинства ВТСП кабеля — высокая токовая нагрузка, малые потери, экологическая чистота и пожарная безопасность. Кроме того, при передаче большой мощности по такому кабелю при напряжении 10–20 кВ не требуются промежуточные подстанции.

ВТСП кабель представляет собой сложную многослойную конструкцию. Центральный несущий элемент выполнен в виде спирали из нержавеющей стали, окруженной пучком проводов из меди и нержавеющей стали, обмотанных медной лентой. Поверх центрального элемента укладываются два повива сверхпроводящих лент, а сверху — высоковольтная изоляция. Затем следует наложение сверхпроводящего экрана, повивы гибких медных лент, обмотанных лентой из нержавеющей стали. Каждая жила кабеля затягивается в собственный гибкий криостат длиной 200 м.

Создание этой многокомпонентной конструкции осложняется тем, что ВТСП лента крайне чувствительна к механическим нагрузкам и изломам. Основная часть технологических операций проводилась на базе ОАО «ВНИИКП». Однако для изготовления высоковольтной изоляции кабель свозили в г. Пермь на завод «Камский кабель».

«Для ВТСП кабеля мы производили операцию наложения бумажной изоляции, — рассказывает Александр Азанов, заместитель главного технолога ООО «Камский кабель». — Было задействовано уникальное оборудование, которое ранее использовалось для производства маслонаполненных кабелей высокого напряжения. Именно поэтому не пожалели ресурсов на доставку полуфабриката из Москвы в Пермь и обратно. И, думаю, что пока для производства таких специальных кабелей целесообразно задействовать уникальное оборудование, установленное на разных заводах, чем организовывать производство в одном месте.

В ближайшее время организация серийного производства данного кабеля на нашем или любом другом заводе маловероятна, так как монтаж линий со сверхпроводниками производится крайне редко и очень малыми длинами (не более 1 км). Главная причина тому — стоимость ВТСП кабелей и их обслуживания (требуется постоянно прокачивать жидкий азот через кабель)».

На производственных площадях ЗАО «СуперОкс»
 

Кабели постоянного тока

На сегодняшний день разработки в области создания ВТСП кабелей продолжаются. ОАО «ФСК ЕЭС» и ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» ведут совместный НИОКР «Создание высокотемпературной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока на напряжение 20 кВ с током 2500 А длиной до 2500 м». Первый прототип будущей инновационной системы передачи энергии — два отрезка биполярного ВТСП кабеля по 30 м, разработанные в НТЦ ФСК ЕЭС и изготовленные на заводе «Иркутсккабель», — успешно прошли токовые и высоковольтные испытания в 2013 г.

В ноябре 2014 г. состоялись испытания комплекта преобразовательного оборудования для инновационной передачи электроэнергии мощностью 50 МВт с использованием сверхпроводящего кабеля длиной в несколько сотен метров. Применение ВТСП кабеля для электроснабжения крупных городов позволит добиться уменьшения площадей землеотводов, отказаться от строительства воздушных линий и снизить потери электроэнергии.

В НТЦ ФСК ЕЭС отмечают, что кабельная линия постоянного тока на основе ВТСП обладает рядом достоинств по сравнению с линией переменного тока. Она не только позволяет передавать мощность с минимальными потерями, но и ограничивать токи короткого замыкания, регулировать реактивную мощность, управлять потоками мощности и обеспечивать ее реверс.

«Приятно осознавать, что российские разработчики ВТСП кабелей находятся на передовых рубежах, — говорит Виталий Высоцкий, д.т.н., академик АЭН РФ, директор научного направления — зав. отделением сверхпроводящих проводов и кабелей ОАО «ВНИИКП». — Например, кабель 200 м являлся крупнейшим в Европе в 2009-2013 гг., и только в 2014 г. в Германии был установлен кабель длиной 1 км. Но и этот рекорд будет перекрыт с испытанием кабеля 2,5 км для С.-Петербурга».

 

От господдержки — к частным инвестициям

Эксперты прогнозируют достаточно активное развитие мирового и российского рынка сверхпроводников. Так, Андрей Вавилов, председатель Совета Директоров ЗАО «СуперОкс», отмечает, что объем мирового рынка ВТСП удваивается каждый год и в 2017 г. достигнет $1 млрд, при этом долю РФ в мировом рынке можно оценить примерно в 10%.

«Рынок сверхпроводимости для электроэнергетики обязан развиваться, поскольку плотность потребления энергии постоянно растет и без сверхпроводимости поддерживать растущие запросы невозможно», — уверен Виталий Высоцкий. — Однако энергетики весьма консервативны по отношению ко всему новому, да еще и дорогостоящему. Поэтому пока главная задача — все-таки продвижение новых проектов с поддержкой государственных организаций. Это станет доказательством надежности и эффективности сверхпроводящих устройств. Появление новых проектов вызовет спрос на производство ВТСП лент, увеличение их выпуска и снижение цены, что опять же поможет развитию рынка».

«На данной стадии комплексное решение всех поставленных задач невозможно без всесторонней помощи государства, но с каждым годом повышается инвестиционная привлекательность ВТСП техники, что позволяет с высокой долей уверенности ожидать притока частных инвестиций в ее дальнейшее коммерческое развитие», — соглашается с коллегой Виктор Панцырный.

Экспертов радует, что в целом на уровне государства есть понимание значимости сверхпроводниковых технологий.

«Развитие сверхпроводниковой индустрии имеет общенациональное значение и является важной составной частью перехода на инновационный путь развития экономики страны. Это было недавно констатировано на расширенном заседании Консультативного Совета при председателе Комитета Государственной Думы по энергетике ФС РФ, где, в частности, было отмечено, что для обеспечения экономической и политической независимости России стратегически необходимо иметь отечественное производство низко- и высокотемпературных сверхпроводящих материалов, сверхпроводниковых устройств и изделий на их основе», — сообщает Виктор Панцырный.

ВТСП может совершить прорыв в технологиях передачи электроэнергии
 

Планы на будущее

Мы попросили экспертов оценить, какие сферы применения сверхпроводимости, на их взгляд, наиболее перспективны и где можно ожидать коммерческого использования технологии в ближайшие годы.

«Как и во всем мире, в России сегодня наиболее продвинуты проекты сверхпроводящих кабелей. Они должны и, надеемся, будут развиваться, — рассказывает Виталий Высоцкий. — Сверхпроводящие кабели на основе ВТСП — уже сейчас чисто коммерческий продукт, правда, пока еще достаточно дорогой. Он станет дешевле, когда начнется его широкое внедрение и потребуется значительное количество ВТСП лент, что и удешевит их производство.

Однако, на мой взгляд, наиболее необходимыми и востребованными для электроэнергетики являются сверхпроводящие ограничители тока КЗ на уровни напряжения от 100 кВ и выше. Обычных устройств такого класса напряжения просто не существует, и без сверхпроводимости здесь просто не обойтись. Такие проекты уже обсуждаются в нашей стране. Кроме того, по моему мнению, хорошие перспективы имеют ВТСП машины для ветрогенераторов. Они сулят значительное (в разы) снижение веса единичного генератора и увеличение единичной мощности».

«Сегодня драйвер развития рынка сверхпроводниковых изделий — электроэнергетика (силовые кабели и ограничители тока), — считает Андрей Вавилов. — Но и в ряде других отраслей имеется значительный потенциал. Например, сегодня разрабатываются варианты применения ВТСП провода как эффективной замены низкотемпературных сверхпроводников в ускорительной технике, используемой для науки, производства изотопов и медицины. В России имеются большие планы в этой области, в частности, по строительству современного коллайдера NICA в Дубне.

Большой потенциал имеет создание эффективных вращающихся машин, имеющих уникальные тяговые характеристики, низкую массу и вес. Такие двигатели востребованы в первую очередь для обеспечения движения больших судов, а генераторы могут использоваться в возобновляемой энергетике.

Совершенно новые перспективы сегодня открывает явление магнитной левитации. Это не только транспортные системы, но и бесконтактные манипуляторы, а также долговечные подшипники с широким спектром применения».

«Дальнейшее развитие высокотемпературной сверхпроводимости будет иметь выраженный мультипликативный эффект не только в электроэнергетике, но и в иных отраслях, таких как космический, авиационный, морской, автомобильный и железнодорожный транспорт, машиностроение, металлургия, электроника, медицина, ускорительная техника. Технологии сверхпроводимости также важны и для укрепления обороноспособности страны», — убежден Виктор Панцырный.

Одним словом, дальнейшее развитие технологий на основе сверхпроводимости открывает перед человечеством огромные перспективы, причем уже в обозримом времени.

 

Екатерина Зубкова
На заставке: ВСТП провод второго поколения
Фото ЗАО «СуперОкс»

Читайте также: