HTS materiály. Aplikace vysokoteplotních supravodičů v energetice. Supravodič vede Rusko dopředu

Technické vědy

MDT 537.312.62:620.018.45

ZPŮSOBY VÝROBY A VLASTNOSTI HTSC KERAMIKA NA BÁZI ULTRAFINOVANÝCH PRÁŠKŮ

O.L. Chasanov

E-mail Tomské polytechnické univerzity: [e-mail chráněný]

Jsou popsány výsledky vývoje technologie výroby vysokoteplotní supravodivé keramiky na bázi ultrajemných prášků, včetně metod suchého zhutňování pod vlivem výkonného ultrazvuku. Odůvodněné optimální podmínky procesy syntézy HTSC prášku a slinování keramiky. Jsou prezentovány údaje o výkonnostních vlastnostech vzorků obrazovek elektromagnetického pole, volumetrických mikrovlnných rezonátorů a keramických SQUID vyrobených z HTSC keramiky.

Úvod

Mezi moderními keramickými materiály zaujímá zvláštní místo vysokoteplotní supravodivá (HTSC) keramika. Fenomén supravodivosti při teplotách nad 30 K byl experimentálně objeven v roce 1986 J. Bednorzem a K. Müllerem v lanthanokuprátové rodině Ba-La-Cu-O a brzy byly kritické supravodivé přechodové teploty Tc dosaženy nad bodem varu kapaliny. dusíku (77 TO). Po překonání této hranice se otevřely vzrušující vyhlídky na praktické využití HTSC v elektronice, komunikačních technologiích a přesných měřeních, v energetice, elektrotechnice, dopravě a dalších oborech.

Výzkum se proto rozvíjel nejen základním směrem, ale i aplikačním. Klíčovým problémem byl vývoj technologií, které umožňují vyrábět požadované výrobky z tak křehkých keramických materiálů, jako jsou složité kupráty: dráty a kabely, induktory, objemové rezonátory atd. V mnoha případech „slaboproudých“ aplikací (elektronika, senzory) se osvědčilo využití filmových technologií pro výrobu konstrukcí na bázi HTSC fólií. Pro „silnoproudé“ aplikace (energetika, doprava, technologie urychlovačů atd.) je však stále aktuální vývoj technologií pro výrobu sypkých keramických HTSC materiálů s vysokou proudovou zatížitelností a stabilními vlastnostmi.

Tento článek představuje hlavní výsledky výzkumu vývoje metod výroby a studia vlastností HTSC keramiky rodiny YBa2Cu3O7_x. Cílem práce bylo vyvinout metody syntézy ultrajemného prášku (UDP) HTSC fáze, jeho zhutňování a slinování jednofázové supravodivé keramiky s vysokými kritickými charakteristikami.

Pevná fáze a samovolné šíření

vysokoteplotní syntéza HTSC

Syntéza supravodivé ortorombické fáze YBa2CuзO7_x (x<0,4 - фаза "1-2-3") - многостадийный процесс последовательных химических и структурных превращений синтезируемых компонентов. Среди многих известных методов синтеза ВТСП-порошков нами разрабатывался метод твердофазного керамического синтеза.

Jak je známo, syntéza v pevné fázi je difúzní proces. Analýza jejího průběhu a termodynamických podmínek syntézy ukázala, že při snížení teploty syntézy fáze 1-2-3 pod dobře známých 950 °C je pravděpodobnost vzniku nesupravodivé fáze 2- 1-1 se sníží, zabrání se slinování výsledných zrn fáze 1-2-3, které je nežádoucí. Těchto podmínek je dosaženo při použití všech činidel nebo jednoho z nich ve formě UDP. Ukazuje se, že v počáteční náplni v ultradispergovaném stavu stačí použít pouze měď. Ve směsi kompozice 1-2-3 s použitím UDP

Cu, teplota syntézy klesá na 920 °C a doba tvorby HTSC fáze se snižuje o 12 hodin, což je spojeno se zvýšením počtu jader v důsledku geometrického faktoru - větší počet a plocha kontakty mezi Cu UDP a většími částicemi U2O3 a BaCO3. Zesílení kinetiky tvorby fáze je způsobeno zvýšením difúzního koeficientu látky submikronových částic mědi (s maximálním stechiometrickým obsahem v náboji) na rozhraní reagencií v důsledku jejich povrchové aktivity, defektnosti a termodynamické metastability. struktury, stejně jako efektivní oddělení zrn mezifází syntézy od větších částic reagencií v důsledku mezikrystalových napětí. V důsledku toho je syntetizován jednofázový UDP HTSC UVa2Cu307-x s průměrnou velikostí částic 0,4...0,7 μm, kritickou teplotou supravodivého přechodu Tc = 95 K a šířkou tohoto přechodu Tc = 1 K.

Syntéza HTSC fází může být prováděna nejen reakcemi na pevné fázi, ale také metodou samo se šířící vysokoteplotní syntézy (SHS), kdy je syntézní reakce prováděna jako výsledek vrstvy po vrstvě. samozahřívání směsi činidel v důsledku exotermického tepelného efektu.

Vznik sloučeniny UVa2Cu307-x s takovým exotermickým účinkem je možný reakcí:

1/2U2O3 + 2BaO2 + 3Cu + nO2 ^UBa2Cu307.x + O,

kde Ba02, O2 jsou oxidační činidla; Cu je kovové neoxidované činidlo redukující měď.

Použití UDP Cu zesiluje syntézní reakci a zvyšuje její tepelný účinek O (určující samoudržování reakce v náboji) díky vysoké akumulované energii ultrajemných částic.

Aby bylo možné určit vzory systému SHS 1-2-3 pomocí UDP Si nami

byly provedeny studie procesu v proudu kyslíku a vzduchu, možnost regulace teploty spalování zavedením přídavného okysličovadla, stupeň zhutnění počáteční vsázky a výběr geometrie vzorku. V těchto studiích bylo úkolem určit podmínky, za kterých se teplota spalování pohybuje v rozmezí 900,970 °C, tzn. odpovídá teplotě syntézy a slinování HTSC fáze 1-2-3.

Z homogenizované směsi výchozích složek byly suchým statickým jednoosým lisováním při lisovacím tlaku P od 50 do 350 MPa vytvořeny výlisky různých průměrů Br (7, 10, 14 a 18 mm) o výšce 3 mm.

Spalovací vlna ve výlicích byla iniciována dvěma způsoby: rychlým zahřátím celého výlisku ve speciálně vyrobené trubkové peci na 800 °C a pomocí elektrické spirály, která zahřála povrch výlisku na 750 °C. V obou případech, bezprostředně po SHS, nebyl u vzorků pozorován Meissnerův efekt a pro vytvoření HTSC fáze bylo nutné dodatečné žíhání při 950 °C po dobu 2,8 hodiny. Je zřejmé, že u výlisků studované geometrie dochází ke spalování v podstatě neadiabatický režim, který neodpovídá termodynamickým podmínkám pro vznik HTSC fáze.

Rentgenová fázová analýza vzorků po SHS před žíháním ukázala přítomnost fází U4Ba3O9, BaCuO2, tetragonální fáze 1-2-3, nezreagované Cu0, Cu, Y2O3 a také malé množství ortorombické fáze 1-2-3. Obsah HTSC fáze Csp se zvýšil na 40 % po žíhání při 950 °C po dobu 2 hodin a na 50,60 % po žíhání při 950 °C po dobu 6 hodin.

Hodnoty Meissnerova jevu x, který koreluje s obsahem HTSC fáze ve vzorcích, v závislosti na lisovacím tlaku vsázky před iniciací SHS a geometrii vzorků jsou uvedeny na Obr. 1.

Nebo = 14 mmu \ P = 18 mm m

■■ 1- -1-*-1-

Rýže. 1. Velikost Meissnerova efektu u HTSC výlisků syntetizovaných metodou SHS a žíhaných při 950 C po dobu 2 hodin (a), a poté 6 hodin (b) - v závislosti na lisovacím tlaku P

Suché lisování UDP HTSC pod vlivem

ultrazvuk

Ve všech technologických fázích výroby HTSC keramiky je nutné brát v úvahu metastabilitu ortorombické HTSC fáze 1-2-3 a její vysokou citlivost na obsah kyslíku a přítomnost vodní páry. V tomto ohledu je důležité vyvinout metody zhutňování tvrdého prášku HTSC, zejména vysoce disperzního (syntetizovaného z mědi UDP), bez použití pojiv a změkčovadel. Proto jsme použili metodu suchého lisování prášku HTSC pod vlivem ultrazvuku (USV), aplikovaného kolmo na lisovací sílu.

Účelem těchto studií bylo studovat vliv teploty slinování na hustotu HTSC keramiky vyrobené pomocí UDP Cu a standardní technologie, lisované v různých režimech ultrazvukového zpracování.

Vzorky byly lisovány do tablet o průměru 11,2 mm jak působením ultrazvuku, tak i ve statickém režimu. Intenzita USV byla nastavena výstupním napětím US generátoru a USV na 50, 75 a 100 V, což odpovídalo amplitudám vibrací stěny formy AUZV = 5, 10 a 15 µm při frekvenci 21,5 kHz. Slinování bylo prováděno při nízkých teplotách: 890 °C (pro vzorky s UDP mědí) a 950 °C (pro vzorky ze standardních činidel) po dobu 48 hodin. 2.

Pro všechny režimy lisování byla nejhustší keramika slinována ze vsázky s UDP Cu (hodnoty 1, 2, 3 na obr. 2, b), i když hustota výlisků závisela nemonotónně jak na typu vsázky, tak na hodnoty P a USV. U vzorků s UDP nemělo ultrazvukové lisování ve studovaném rozsahu a USV prakticky žádný vliv na hustotu keramiky (hodnoty 1, 2, obr. 2, b). Je zřejmé, že u vysoce disperzního prášku HTSC syntetizovaného z UDP jsou velikosti submikronových částic výrazně menší než amplituda vibrací matrice AUZV = 5, 10 a 15 μm a zvuk prochází zhutněním tvrdého prášku HTSC, aniž by způsobil vibrační posun částice.

Pouze při P = 907 MPa a USV = 75 V (křivka 2, obr. 2, a) byl pozorován pokles hustoty zhutnění - v důsledku aglomerace prášku pod vibračním ultrazvukovým vlivem dané amplitudy. Po slinování dosáhla hustota těchto vzorků hustoty ostatních vzorků UDP lisovaných při 907 MPa (křivka 2, obr. 2, b), což ukazuje na aktivační ultrazvukový efekt na lisované částice prášku.

Hustota keramiky vyrobené ze standardních činidel se zhoršila po ultrazvukovém lisování s lisováním ultrazvukem = 50 V a zlepšila se lisováním ultrazvukem = 75 V, 100 V oproti statickému lisování (křivka 5, obr. 2, b). Pro hrubě dispergovaný náboj HTSC ve studovaných režimech USV se projevily kvazirezonanční efekty shody amplitudy vibrací s velikostí částic nebo aglomerátů, projevující se zvýšením hustoty výlisků a slinuté keramiky při USV = 10 a 15. μm (USV = 75 a 100 V - křivky 5 na obr. 2).

Vzhledem k nízkým teplotám slinování (890 °C pro vzorky vyrobené z UDP a 950 °C pro vzorky vyrobené ze standardních činidel) nepřesáhla hustota HTSC keramiky v těchto experimentech 5,45 g/cm3 - 86 % teoretické hustoty. Po optimalizaci režimu suchého lisování a slinování UDP HTSC dosáhla hustota keramiky 6 g/cm3 (viz tabulka 1).

Elektrické vlastnosti keramických HTSC výrobků jsou významně ovlivněny velikostí zrn anizotropní supravodivé fáze a jejich texturou. Během konvenčního tepelného zpracování v této fázi HTSC slinování nedochází k výrazné anizotropii růstu zrn. Směrová deformace vzniklá při jednoosém suchém lisování anizotropních zrn perovskitu podobné fáze 1-2-3 však vytváří určitý preferovaný směr a systém přestává být izotropním. Kolmo ke směru lisovací síly při procesu slinování dochází k orientovanému růstu zrna, tzn. tvoří se textura. Pokud je v procesu jednoosého suchého zhutňování HTSC výlisek držen po dlouhou dobu (10...20 hodin) pod tlakem (tj. vzniká v něm rovnoměrné napětí a směr deformace),

Rýže. 2. Hustota výlisků pp (a) a slinuté HTSC keramiky pc (b) v závislosti na intenzitě ultrazvukového zpracování a lisovacím tlaku UDP HTSC: 1) 746 MPa; 2) 907 MPa; 3) 1069 MPa; a vsázka ze standardních činidel: 4) 746 MPa; 5) 907 MPa

ion), pak během procesu rekrystalizace bude tento směr pro růst zrna zvolen. Anizotropní zrna perovskitu podobné fáze 1-2-3, ve které jsou supravodivé roviny CuO2 kolmé na směr lisovací síly, budou převážně růst ve směrech podél těchto rovin (podél deformační síly) a dosahovat významných velikostí (více než 10 μm). V důsledku redistribuce difúzních toků hmoty podél těchto směrů je růst zrn ve všech ostatních směrech inhibován. Takto se vyvíjí proces texturování HTSC keramiky. Na Obr. Obrázek 3 ukazuje mikrostrukturu texturované keramiky 1-2-3, slinované za specifikovaných podmínek (data ze skenovací elektronové mikroskopie na mikroanalyzátoru Philips SEM-15 byla získána s pomocí V.N. Lisetskyho).

Naše studie ukázaly, že k tvorbě textury při slinování keramiky 1-2-3 z UDP-syntetizovaného HTSC dochází optimálně při jednoosém suchém lisovacím tlaku nad 300 MPa, době lisování při takovém zatížení více než 10 hodin a slinování teplota 950...975 ° S.

Elektrofyzikální vlastnosti HTSC keramiky

a vyvinuté produkty

Supravodivé a další fyzikální vlastnosti vzorků HTSC keramiky a vyvinutých produktů (HTSC SQUIDS, stínítka elektromagnetických polí, objemové rezonátory) jsme testovali na kalibrovaných instalacích pomocí indukční metody (Тс; ATC), 4-kontaktní metody (Тс; ATC; kritický proud jc ), jakož i na specializovaném zařízení v Laboratoři neutronové fyziky SÚJV (Dubna); v Microwave Radio Engineering Laboratory v MIREA (Moskva); ve Výzkumném ústavu jaderné fyziky při TPU, Výzkumném ústavu polovodičových zařízení, Sibiřském institutu fyziky a technologie při TSU, KB "Projekt" (Tomsk). V tabulce 1, na Obr. 4

Prezentovány jsou výsledky měření parametrů keramických vzorků HTSC vyrobených výše popsanou technologií.

Vzorky odměrných mikrovlnných rezonátorů a HTSC obrazovek elektromagnetických polí z keramiky 1-2-3 ve formě dutých válců o průměru 50 mm, výšce 40 mm a tloušťce stěny 4 mm, spolu s koncovými kotouči s o průměru 50 mm a tloušťce 4 mm, byly vyrobeny technologií s použitím UDP Si. Keramika HTSC měla hustotu 5,5 g/cm3, kritickou teplotu Tc = 88 K. Faktor kvality těchto rezonátorů, měřený při teplotě kapalného helia T = 4,2 K, byl O = 2700 při frekvenci / = 10 GHz (R = 3 cm ), povrchový odpor disků za stejných podmínek je -0,04 Ohm (měření byla provedena v laboratoři 46 Vědecko-výzkumného ústavu jaderné fyziky TPU G. M. Samoilenko).

Tabulka 1. Elektrofyzikální vlastnosti keramických vzorků HTSC

Parametr Рс " g/cm3 d,* μm Tc, KATC, Kj ** A/cm2 Qi Q2

Keramika 1-2-3 na bázi UDP Cu 5,9...6,0 10,20 95 3,5 920 150 250 150 241

Keramika 1-2-3 ze standardních činidel 5,2...5,5 40,50 90 1,5 90

Průměrná velikost zrna podle optické a rastrovací elektronové mikroskopie;

**]с - kritická proudová hustota stanovená metodou 4 sond (77 K, 0 T);

th - činitel jakosti leštěných keramických vzorků při frekvenci / = 3 GHz (2A / = 20 MHz) při pokojové teplotě (v čitateli) a při 77 K (ve jmenovateli), měřeno v Laboratoři mikrovlnné radiotechniky MIREA O.M. oleinik;

O2 je kvalitativní faktor stejných vzorků, měřený za stejných podmínek o rok později, což ukazuje na odolnost keramiky proti degradaci.

Rýže. 3. SEM snímek texturované HTSC keramiky 1-2-3, slinuté z UDP po předběžném zatížení během lisování a sloupcový diagram rentgenové fázové analýzy (záření CoKa)

Rýže. 4. Supravodivé přechodové křivky pro HTSC keramiku vyrobenou s použitím UDP Cu: 1, 2) suché statické lisování, slinování při 920 a 950 °C, v daném pořadí (měření Tc byla provedena na FLNP JINR V.N. Polushkinem); 3) Ultrazvukové lisování, slinování při 950 C (měření T byla provedena na LSVChR MIREA od A.A. Bushe)

Testy stejných válcových vzorků jako stínítka elektromagnetických polí byly provedeny ve Výzkumném ústavu PP (Yu.V. Lilenko) a v SPTI v TSU (A.P. Ryabtsev).

Rýže. 5. Stínící vlastnosti válce HTSC

Rýže. 6. Hystereze VPC v supravodivém stavu (T=77K) HTSC válce

Byla použita technika pro měření napětí IC na přijímací (externí) indukční cívce umístěné vně HTSC válce, zatímco testovací proud I procházel generující (vnitřní) cívkou umístěnou uvnitř dutého HTSC válce. Závislosti Пс = /(I) byly brány v supravodivém stavu stínítka (7 = 77 K) a v normálním stavu (při 293 K) - Obr. 5. Koeficient stínění při 7=77 K

při frekvenci 10 kHz byla hodnota £>100. Hystereze charakteristiky napěťového pole (VFC) HTSC obrazovky při 77 K, na rozdíl od konstanty při 300 K (obr. 6), také udává diamagnetické vlastnosti studovaného produktu (proud vzorkem 1 m = 1,3 mA/= 10 kHz).

Citlivost supravodivého kvantového interferenčního senzoru (SQUID) je charakterizována parametrem v:

v = 2 ■1 -ft

Zde b ~ 10-9,10-10 H je indukčnost kvantizačního obvodu v keramických SQUIDS, což je obvykle otvor o průměru 0,5-1,0 mm; 1C - kritický proud přes Josephsonův přechod (JJ); Ф0=2,07-10-15 V - kvantum magnetického toku. Pro HTSC SQUID jsou skutečně dosažitelné hodnoty β = 1,2. Proto by hodnota I měla být 1,10 mA. Pro keramiku HTSC byly získány kritické hodnoty proudové hustoty: Х=1/$=10...103 A/cm2 = 0,1,10 μA/μm2 při provozní teplotě 78 K (κ je plocha průřezu keramiky HTSC). Z toho vyplývá, že plocha průřezu DP v SQUID by měla být uvnitř

0,1.100.um2, tzn. charakteristické rozměry DP by měly být 0,3,10 mikronu. Tato podmínka určuje průměrnou velikost zrna keramiky HTSC. Pro vytvoření DP v HTSC keramice ze zrn uvedených velikostí při výrobě keramických HTSC kalmárů typu Zimmermann jsme použili výše popsané metody syntézy v pevné fázi a suché lisování. DP byl vytvořen v HTSC tabletě mezi dvěma otvory během procesu formování a slinování hutné texturované HTSC keramiky o hustotě 5,7–6,0 g/cm3 s velikostí zrn v rovině textury 10,20 μm. Poté bylo mechanickým rýsováním s kontrolou pod optickým mikroskopem a následným tepelným zpracováním v proudu kyslíku dosaženo požadované tloušťky DP ~10 μm. Citlivost SQUID na vnější magnetické pole dosahovala hodnot 1,2 μV/Fo.

Na základě výsledků práce byly tedy vyvozeny následující závěry:

1. V přirozených podmínkách nevede SHS jak objemové náplně kompozice 1-2-3, tak výlisků k vytvoření HTSC fáze, jejíž syntéza vyžaduje dodatečné žíhání při 950 °C.

2. Iniciace SHS ve vzduchu elektrickým impulsem z povrchu výlisků studované geometrie je pozorována pouze pro náboj s UDP Cu; použití hrubé mědi v tomto případě neposkytuje potřebný tepelný účinek reakce.

3. Pro vytvoření HTSC fáze metodou SHS jsou zapotřebí činidla o ne horší kvalitě než analytické (především oxidační činidlo Ba02).

4. Ve studovaném rozsahu geometrických rozměrů je optimální tvarový faktor pro SHS HTSC Нр/Вр = 3/\4, lisovací tlak >150 MPa. Za těchto podmínek dosáhla hustota keramiky 4,6 g/cm3, obsah HTSC fáze byl 54 %, T = 86 K, AT = 5 K.

5. Suché lisování pod vlivem ultrazvuku je účinné pro hrubě rozptýlený HTSC náboj při amplitudě kmitů matrice AUZV = 10 a 15 μm, kdy se objevují kvazirezonanční efekty, kdy se amplituda kmitů shoduje s velikostí částic nebo aglomerátů.

6. K tvorbě textury při slinování keramiky 1-2-3 ze syntetizovaného UDP HTSC dochází optimálně při jednoosém suchém lisovacím tlaku nad 300 MPa, doba lisování při tomto

zatížení více než 10 hodin a teplota spékání 950...975 °C.

7. Technologie syntézy UDP HTSC v pevné fázi a suchého zhutňování je účinná pro slinování hutné texturované HTSC keramiky s vysokými kritickými parametry a výrobu HTSC produktů z ní: stínítka elektromagnetických polí, rezonátory, SQUIDS.

Práce týkající se analýzy podmínek lisování ultrazvukem byla podpořena Ruskou nadací pro základní výzkum, grant 01-03-32360.

BIBLIOGRAFIE

1. Treťjakov Yu.D., Gudilin E.A. Chemické principy získávání supravodičů z oxidů kovů // Advances in Chemistry. - 2000. - T. 69. - č. 1. - S. 3-40.

2. Didenko A.N., Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L. a další Aplikace ultrajemných prášků při syntéze supravodivé keramiky U-Ba-Cu-O // Fyzikologie a technologie vysokoteplotních supravodivých materiálů. - M.: Nauka, 1989. - S. 133-134.

3. Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L. Syntéza a studium vlastností texturované keramiky HTSC s vysokou hustotou na bázi ultrajemných prášků // In: Vysokoteplotní supravodivost. - Tomsk: Vědecká rada pro RSTP RSFSR "VTSP". - 1990. - S. 28-34.

4. Pat. 1829811 Ruská federace. MKI N01b 39/14. Způsob výroby jednofázového vysoce disperzního prášku vysokoteplotního supravodiče UBa2Ci3O7-x / O.L. Khasanov, G.F. Ivanov, Yu.P. Pokholkov, G.G. Saveljev. Od 23.3.94.

5. Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L., Sokolov V.M. a další Vlastnosti ultradisperzní technologie pro výrobu vysokoteplotní supravodivé keramiky // Elektrotechnika. - 1996. - č. 11. - S. 21-25.

6. Merzhanov A.G., Peresada A.G., Nersisyan M.D. a další // JETP Letters. - 1988. - T. 8. - Vydání. 11. - str. 604-605.

7. Khasanov O.L., Sokolov V.M., Pokholkov Yu.P. a další Ultrazvukové zhutňování vysoce disperzního prášku UBa2Cu3O7-x // Nauka o materiálech vysokoteplotních supravodičů: Proc. zpráva II mezinárodní. conf. - Charkov: Institut monokrystalů NASU, 1995. - S. 149.

8. Khasanov O.L., Sokolov V.M., Dvilis E.S. a další Ultrazvuková technologie pro výrobu strukturní a funkční nanokeramiky // Perspektivní materiály. - 2002. - č. 1. - S. 76-83.

9. Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L., Roitman M.S. a další Vývoj technologie výroby keramických HTSC kalmarů a na nich založeného základního magnetometru // Konverze ve výrobě přístrojů: Proc. zpráva vědecko-technické seminář. - Tomsk: TPU, 1994. - S. 32.

MDT 621.039.33:541.183.12

SEPARACE IZOTOPŮ A IONTŮ S PODOBNÝMI VLASTNOSTMI PŘI VÝMĚNNÝCH PROCESECH S ELEKTROCHEMICKOU INVERCÍ FÁZOVÉHO TOKU

A.P. Vergun, I.A. Tichomirov, L.I. Dorofeeva

E-mail Tomské polytechnické univerzity: [e-mail chráněný]

Prezentovány jsou výsledky teoretických a experimentálních studií výměnné separace izotopů a iontů. Obrácení fázových toků ve výměnném systému se provádí při elektromigrační substituci izotopových a iontových forem v procesu elektrodialýzy.

Provádění komplexní teoretické a ex-izotopové výměny je zaměřeno na studium neperimentálního výzkumu procesů izotopově efektivních separačních metod, vývoj separace je důležitý vědecký a praktický vývoj nových technologií pro separaci izotopů a iontový význam, určovaný potřebami s podobnými vlastnostmi. jaderný průmysl. Výzkum v oboru

Vytvořeno na bázi oxidových vysokoteplotních supravodičů. Supravodivou keramiku poprvé získali v roce 1986 J. Bednorz a K. Müller, kteří za tento objev získali Nobelovu cenu. Tato keramika byla vyrobena z lanthanu, barya a oxidu mědi (La 2-x Ba x CuO 4) a měla neobvykle vysokou supravodivé materiály teplota supravodivého přechodu Tc = 35 K. O rok později byla pod vedením P. Chua získána keramika na bázi oxidu yttrium-barium-měď YBa 2 Cu 3 O 7-x s Tc = 93 K . Tyto objevy učinily supravodivost slibnou pro praktické aplikace.

Vysokoteplotní supravodivá keramika se stejně jako běžné keramické materiály vyrábí z oxidových prášků. Výroba oxidových keramických vysokoteplotních supravodičů zahrnuje tyto hlavní etapy: dávkování výchozích složek vsázky, homogenizace vsázky, vysokoteplotní (při teplotách 800-1100 o C) syntéza včetně mezibroušení vsázky , jakož i lisování (lisování) a slinování keramických výrobků.

Hustota a mikrostruktura výsledných materiálů jsou silně ovlivněny stavem výchozího prášku a podmínkami syntézy. Keramické materiály obsahují neorientovaná zrna, póry a téměř vždy příměs cizích fází. Při syntéze vysokoteplotní supravodivé keramiky začnou jemnozrnné prášky slinovat při nižších teplotách než hrubozrnné. Tím se zabrání tvorbě významného množství kapalné fáze a deformaci vzorku. Zavedení malého množství oxidů nečistot do základní kompozice má pozitivní vliv na vlastnosti keramiky a podporuje tvorbu požadované textury.

Mechanické a elektromagnetické vlastnosti HTSC keramiky přímo určuje výrazně nehomogenní struktura sestávající ze zrn, pórů a mikrodefektů, které jsou zpravidla lokalizovány na hranicích zrn. Ke vzniku a destrukci mikrostruktury supravodivé keramiky dochází při procesu slinování, což přispívá ke vzniku vnitřních pnutí, a provozu materiálu v různých mechanických a tepelných podmínkách. Supravodivá keramika se skládá ze supravodivých granulí, které se vyznačují dosti vysokou kritickou proudovou hustotou jcr, ale protože mezikrystalový prostor má nízkou jcr, kritická hustota transportního proudu vysokoteplotní keramiky klesá, což komplikuje její využití v technologii.

Dodnes bylo vytvořeno poměrně velké množství supravodivé keramiky, která obsahuje prvky vzácných zemin Y, Ba, La, Nd, Sm, Eu, Cd, Ho, Er, Tm, Lu. U této keramiky experimentální studie udávají teplotu supravodivého přechodu v teplotním rozsahu od 86 K do 135 K.

Nejběžnější je lanthanová keramika (La1-xBa)2CuO1-y s Tc = 56 K, yttriová keramika na bázi Y-Ba-Cu-O s Tc = 91 K, bismutová keramika na bázi Bi-Sr-Ca-O s Tc = 115 K, thaliová keramika na bázi Tl-Ba-Ca-Cu-O s Tc = 119 K, rtuťová keramika HgBa2Ca2Cu3O8+x s Tc = 135 K.

Byla vyvinuta technologie výroby texturované keramiky, která umožnila řádově zvýšit proudovou hustotu. Výroba dostatečně velkých výrobků, drátů nebo pásek z keramických vysokoteplotních supravodičů však zůstává poměrně obtížným technologickým úkolem. Kompaktní masivní prvky různých tvarů a velikostí jsou obvykle vyráběny z oxidové supravodivé keramiky Y-Ba-Cu-O a dlouhé kompozitní supravodiče jsou na bázi sloučenin Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O ve slupkách z různých kovů a slitin. Takové produkty mají supravodivý efekt při teplotách kapalného dusíku a nižších, vysokou proudovou charakteristiku a při použití umožňují výrazně snížit hmotnost a rozměry elektrických zařízení, snížit provozní náklady a vytvořit vysoce účinné a ekologické elektrické systémy.

V mikrovlnných součástkách se používají tenké vrstvy HTSC keramiky na monokrystalických substrátech. Mezi hlavní parametry HTSC fólií zpravidla patří rezistivita a magnetická susceptibilita. Vyrábějí se depozicí na substrát napařováním laserem a elektronovým svazkem, chemickým napařováním, přímým a reaktivním katodovým naprašováním a epitaxí molekulárního svazku.

V roce 1986 objevili I. G. Bednorz a K. A. Muller vysokoteplotní supravodiče (HTSC). Kritická teplota HTSC leží zpravidla nad bodem varu dusíku (77 K). Základem těchto sloučenin jsou oxidy mědi, a proto se jim často říká kupráty nebo oxidy kovů. V roce 1987 bylo na keramice YBa 2 Cu 3 O 7 dosaženo supravodivé přechodové teploty 92 K; pak byla zvýšena na 125 K ve sloučeninách thalia. Nejvyšší kritická teplota dosažená za 10 let výzkumu HTSC (~145 K) patří sloučeninám na bázi rtuti. Nyní jsou známy více než dvě desítky sloučenin HTSC - kupráty různých kovů, nazývají se podle základních kovů: yttrium (například YBa 2 Cu 3 O 7-x, Tc ~ 90 K), vizmut (Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8, Tc ~ 95 K), thalium (Tl 2 BaCaCu 2 O 8, Tc~110 K), rtuť (HgBa 2 CaCu 2 O 6 Tc~125 K).

Oxidové supravodiče obvykle obsahují 4-5 různých typů atomů a jednotková krystalografická buňka obsahuje až 20 atomů. Téměř všechny HTSC mají vrstevnatou strukturu s rovinami atomů Cu a O Počet mezilehlých vrstev mědi může být syntetizován, v nichž počet vrstev CuO 2 dosahuje 5. Významnou roli hraje přítomnost kyslíku. mechanismus supravodivosti. Výsledky četných experimentů ukazují, že hlavním objektem v krystalografické mřížce jsou roviny s kyslíkem, které jsou zodpovědné jak za vodivost těchto oxidových sloučenin, tak za výskyt supravodivosti v nich při vysokých teplotách.

HTSC jsou typickými představiteli supravodičů typu II s velmi velkým poměrem londýnské délky ke koherenční délce - v řádu několika stovek. Proto magnetické pole H C 2 má velmi vysokou hodnotu, zejména pro Bi 2212 je to přibližně 400 T, a H C 1 rovnající se několika stovkám oerstedů (v závislosti na orientaci pole vzhledem ke krystalu).

Většina HTSC se vyznačuje silnou anizotropií, což vede zejména k velmi neobvyklé povaze závislosti magnetického momentu těchto látek na intenzitě pole, pokud je nakloněno k hlavním krystalografickým osám. Podstata efektu spočívá v tom, že díky výrazné anizotropii je zpočátku energeticky výhodnější, aby se vírové čáry nacházely mezi vrstvami CuO 2 a teprve poté po určité hodnotě pole začnou do těchto rovin pronikat.

Experimentální technika Měření magnetických vlastností a Tc supravodičů

Technika používaná k měření magnetických vlastností supravodičů se v principu neliší od techniky používané k měření běžných magnetických látek, jako jsou feromagnetika, až na to, že musí být schopna provozu při velmi nízkých teplotách. Experimentální metody lze rozdělit do dvou skupin: ty, ve kterých je magnetický tok V měřené ve vzorku a ty, ve kterých se měří magnetizace vzorku já(obr. 23). Každá z těchto metod poskytuje kompletní informace o magnetických vlastnostech vzorku, ale v závislosti na okolnostech si můžete vybrat jednu nebo druhou z nich. Pro magnetická měření se používá nejrůznější zařízení s různou mírou složitosti v závislosti na citlivosti, stupni automatizace atd. Celá tato technologie je však založena na jednoduchých metodách, na jednu z nich se nyní zaměříme.

Dnes jsem viděl tento komentář a diskuzi pod ním. Vzhledem k tomu, že jsem dnes byl u výroby supravodivých kabelů, chtěl jsem vložit pár komentářů, ale jen pro čtení... Rozhodl jsem se proto napsat krátký článek o vysokoteplotních supravodičech.

Pro začátek bych pro každý případ rád poznamenal, že samotný pojem „vysokoteplotní supravodič“ znamená supravodiče s kritickou teplotou nad 77 K (-196 °C) – bod varu levného kapalného dusíku. Často zahrnují supravodiče s kritickou teplotou asi 35 K, protože To byla teplota prvního supravodivého kuprátu La 2-x Ba x CuO 4 (látka proměnlivého složení, odtud x). Tito. „Vysoké“ teploty jsou zde stále velmi nízké.

Hojně se používají dva vysokoteplotní supravodiče - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) a Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Používají se i materiály podobné YBCO, ve kterých je yttrium nahrazeno jiným prvkem vzácných zemin, například gadoliniem, jejich obecné označení je ReBCO.
Vyrobené YBCO a další ReBCO mají kritickou teplotu 90-95 K. Vyrobené BSCCO dosahuje kritické teploty 108 K.

Kromě vysoké kritické teploty se ReBCO a BSCCO vyznačují velkými hodnotami kritického magnetického pole (v kapalném heliu - více než 100 T) a kritickým proudem. S tím druhým však není všechno tak jednoduché...

V supravodiči se elektrony nepohybují samostatně, ale po párech (Cooperovy páry). Pokud chceme, aby proud procházel z jednoho supravodiče do druhého, pak mezera mezi nimi musí být menší, než je charakteristická velikost této dvojice. U kovů a slitin se tato velikost pohybuje v desítkách nebo dokonce stovkách nanometrů. Ale v YBCO a BSCCO je to jen několik nanometrů a zlomků nanometru, v závislosti na směru pohybu. I mezery mezi jednotlivými zrny polykrystalu se ukazují jako docela znatelná překážka, nemluvě o mezerách mezi jednotlivými kusy supravodiče. Výsledkem je, že supravodivá keramika, pokud se neuskuteční speciální triky, je schopna procházet přes sebe pouze relativně malý proud.

Nejjednodušší způsob, jak problém vyřešit, byl v BSCCO: jeho zrna mají přirozeně hladké okraje a nejjednodušší mechanické stlačení umožňuje uspořádání těchto zrn tak, aby bylo dosaženo vysoké kritické hodnoty proudu. To umožnilo rychle a snadno vytvořit první generaci vysokoteplotních supravodivých kabelů, respektive vysokoteplotních supravodivých pásků. Jsou to stříbrná matrice obsahující mnoho tenkých trubiček naplněných BSCCO. Tato matrice je zploštělá a zrna supravodiče získávají požadovaný řád. Získáme tenkou ohebnou pásku obsahující mnoho jednotlivých plochých supravodivých jader.

Bohužel, materiál BSCCO není zdaleka ideální: jeho kritický proud velmi rychle klesá s rostoucím vnějším magnetickým polem. Jeho kritické magnetické pole je poměrně vysoké, ale dlouho před dosažením této hranice ztrácí schopnost propouštět jakékoli velké proudy. To značně omezilo použití vysokoteplotních supravodivých pásek, které nemohly nahradit staré dobré slitiny niob-titan a niob-cín pracující v kapalném heliu.

ReBCO je úplně jiná záležitost. Ale vytvořit v něm správnou orientaci zrn je velmi obtížné. Teprve relativně nedávno se naučili vyrábět supravodivé pásky na základě tohoto materiálu. Takové pásky, nazývané druhá generace, se vyrábějí naprašováním supravodivého materiálu na substrát, který má speciální texturu, která specifikuje směr růstu krystalů. Textura, jak asi tušíte, má velikost nanometrů, takže se jedná o skutečnou nanotechnologii. V moskevské firmě SuperOx, kde jsem skutečně byl, se pro získání takové struktury na kovový substrát nastříká pět mezivrstev, z nichž jedna je současně nastříkána proudem rychlých iontů dopadajících pod určitým úhlem. V důsledku toho krystaly této vrstvy rostou pouze jedním směrem, ve kterém je pro ionty nejobtížnější je rozprášit. Ostatní výrobci, kterých jsou na světě čtyři, možná použijí jiné technologie. Mimochodem, domácí pásky používají místo yttria gadolinium, to se ukazuje jako technologicky vyspělejší.

Supravodivé pásky druhé generace o šířce 12 mm a tloušťce 0,1 mm v kapalném dusíku v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole propouštějí proud až 500 A. Ve vnějším magnetickém poli 1 T je kritický proud stále dosahuje 100 A a při 5 T - až 5 A Pokud pásku ochladíte na teplotu kapalného vodíku (slitiny niobu při této teplotě ani nepřejdou do supravodivého stavu), bude stejná páska schopna projít 500 A v poli 8 T a „nějakých“ 200-300 A v poli 8 T. hladina pár desítek Tesly (létá žába). O kapalném heliu není třeba mluvit: na těchto páskách jsou projekty magnetů s polem na úrovni 100 Tesla! Pravda, zde vyvstává problém mechanické pevnosti v plné síle: magnetické pole má vždy tendenci elektromagnet rozbít, ale když toto pole dosáhne desítek tesla, jeho aspirace jsou snadno realizovány...

Všechny tyto vynikající technologie však neřeší problém spojení dvou kusů supravodiče: krystaly jsou sice orientovány jedním směrem, ale o vyleštění vnějšího povrchu na hrubost velikosti subnanometrů se nemluví. Korejci mají technologii na spékání jednotlivých pásů mezi sebou, ale k dokonalosti má stále, mírně řečeno, daleko. Pásky jsou obvykle navzájem spojeny konvenčním pájením pomocí konvenční cín-olověné pájky nebo jinou klasickou metodou. Samozřejmě v tomto případě se na kontaktu objeví konečný odpor, takže z takových pásků nelze vytvořit supravodivý magnet, který nepotřebuje napájení po mnoho let, a prostě elektrické vedení s přesně nulovými ztrátami. Ale přechodový odpor jsou malé zlomky mikroohmů, takže i při proudu 500 A se tam uvolňují pouze zlomky miliwattu.

Samozřejmě, že v populárně vědeckém článku čtenář hledá více zábavy... Zde jsou některá videa z mých experimentů s vysokoteplotní supravodivou páskou druhé generace:

Poslední video bylo natočeno pod dojmem komentáře na YouTube, ve kterém autor tvrdil, že supravodivost neexistuje a levitace magnetu je zcela nezávislý efekt, který vyzývá všechny, aby si svou správnost ověřili přímým měřením odporu. Jak vidíme, supravodivost stále existuje.

VYSOKOTEPLOTNÍ SUPRAVODIVÉ DC KABELOVÉ VEDENÍ – KROK K INTELIGENTNÍM ENERGETICKÝM SÍTÍM

V.E. Sytnikov, doktor inženýrství, JSC „NTC FSK EES“
TELEVIZE. Ryabin, zástupce ředitele v JSC „NTC FSK EES“
D.V. Sorokin, kandidát inženýrství, JSC „NTC FSK EES“

Klíčová slova: supravodivé kabely; elektrická síť, kritický proud, kryogenika.

Elektrotechnický průmysl 21. století by měl zajistit vysokou účinnost výroby, přepravy a využití energie. Toho lze dosáhnout vyššími požadavky na ovladatelnost energetického systému a také na ekologické a úsporné parametry na všech stupních výroby a distribuce elektrické energie. Použití supravodivých technologií umožňuje dosažení kvalitativně nové intelektuální úrovně fungování tohoto odvětví. PAO FSK EES realizovala program R&D, který zahrnuje vývoj vysokoteplotních supravodivých AC a DC kabelových vedení (dále HTSC CL).

Popis:

Elektroenergetika 21. století musí zajistit vysokou efektivitu výroby, přepravy a spotřeby energie. Toho lze dosáhnout zvýšením požadavků na ovladatelnost elektrizační soustavy, jakož i na ekologické vlastnosti a vlastnosti šetřící zdroje ve všech fázích výroby a distribuce elektřiny. Využití supravodičových technologií nám umožňuje posunout se na kvalitativně novou intelektuální úroveň fungování tohoto odvětví. PJSC FGC UES přijala program výzkumu a vývoje, včetně vytvoření vysokoteplotních supravodivých kabelových vedení (dále jen HTSC CL) pro střídavý a stejnosměrný proud

V. E. Sytnikov, doktor inženýrství. vědy, zástupce vědeckého ředitele, JSC "STC FGC UES"

T. V. Rjabin, zástupce generálního ředitele, JSC "STC FGC UES";

D. V. Sorokin, Ph.D. tech. Sciences, vedoucí Centra pro systémový výzkum a vývoj IES AAS, as "STC FGC UES"

Ve většině průmyslových zemí světa probíhá intenzivní výzkum a vývoj nových typů elektrických zařízení na bázi supravodičů. Zájem o tento vývoj v posledních letech vzrostl zejména díky objevu vysokoteplotních supravodičů (dále jen HTSC), které nevyžadují složitá a drahá chladicí zařízení.

Perspektivy zavedení supravodivých kabelů

Právě silové supravodivé kabely jsou v současnosti nejrozvinutější a nejpokročilejší metodou využití supravodivosti v elektroenergetice. Hlavní výhody supravodivých kabelů jsou:

vysoká účinnost díky nízkým energetickým ztrátám v supravodiči;
možnost nahradit stávající kabel kabelem s vyšším přenášeným výkonem se stejnými rozměry;
nízká hmotnost díky menšímu množství použitého materiálu;
zvýšení životnosti kabelu v důsledku zpomalení procesu stárnutí izolace;
nízká impedance a dlouhá kritická délka;
nepřítomnost elektromagnetických a tepelných rozptylových polí, šetrnost k životnímu prostředí a požární bezpečnost;
schopnost přenášet vysoké výkony při relativně nízkém napětí.

HTSC CL pro stejnosměrný a střídavý proud je inovativní vývoj, který umožňuje řešit významnou část problémů elektrických sítí. Při použití HTSC DC CL se však vedení stává řízeným prvkem sítě, regulujícím tok přenášené energie až do reverze přenosu. Vedení HTSC DC má ve srovnání s vedením AC řadu dalších výhod:

omezení zkratových proudů, které umožňuje propojovat jednotlivé sektory energetického systému na nízké straně bez zvýšení zkratových proudů;
zvýšení stability sítě a předcházení kaskádovým výpadkům spotřebitelů prostřednictvím vzájemné redundance energetických čtvrtí;
regulace distribuce toku výkonu v paralelních vedeních;
přenos výkonu s minimálními ztrátami v kabelu a v důsledku toho sníženými požadavky na kryogenní systém;
možnost komunikace nesynchronizovaných energetických systémů.

V elektrických sítích je možné vytvořit obvod pomocí vedení HTSC AC i DC. Oba systémy mají své preferované aplikace a výběr je nakonec určen jak technickými, tak ekonomickými hledisky.

Supravodivé vložky mezi rozvodnami v megaměstech

Energetické sítě megacities jsou dynamicky se rozvíjející strukturou, která má následující vlastnosti:

rychlý růst spotřeby energie, který obvykle převyšuje průměrné tempo růstu spotřeby v celé zemi;
vysoká hustota energie;
přítomnost oblastí s nedostatkem energie;
vysoký stupeň rozvětvení elektrických rozvodných sítí, který je způsoben potřebou vícenásobné duplikace napájecích vedení spotřebitelům;
rozdělení elektrické sítě, aby se snížily zkratové proudy.

Všechny tyto faktory určují hlavní problémy v sítích městských aglomerací:

vysoká úroveň ztrát elektřiny v distribučních sítích;
vysoké úrovně zkratových proudů, jejichž hodnoty v některých případech přesahují vypínací schopnost spínacího zařízení;
nízká úroveň ovladatelnosti.

Zatížení rozvoden ve městě je přitom velmi nerovnoměrné. V mnoha případech jsou transformátory rozvoden zatíženy pouze na 30–60 %. Hlubinné rozvodny ve městech jsou zpravidla napájeny samostatným vedením vysokého napětí. Připojení rozvoden na straně vysokého napětí může zajistit vzájemnou redundanci mezi energetickými oblastmi a uvolnit volnou kapacitu transformátoru, což v konečném důsledku povede ke snížení energetických ztrát v síti. Tento typ připojení navíc umožňuje využít uvolněnou kapacitu pro připojení dalších zátěží bez nutnosti zprovozňování nových transformátorů nebo budování nových rozvoden a elektrických vedení.

Pokud je k dispozici vložka (obr. 1), tři transformátory plně poskytnou elektřinu připojeným spotřebitelům při zatížení nejvýše 80 %. Čtvrtý transformátor a jeho napájecí vedení lze umístit do provozní rezervy, což povede ke snížení energetických ztrát. Mohou být také použity pro připojení dalších spotřebitelů. Takovou vložku lze vyrobit jak tradičními technologiemi, tak pomocí supravodivých kabelových vedení.

Obrázek 1.

Hlavním problémem při implementaci takového schématu je skutečnost, že přímé připojení rozvoden povede k výraznému zvýšení zkratového proudu. Tento obvod bude funkční pouze tehdy, pokud vložka plní dvě funkce: přenos energie a omezování zkratových proudů. V důsledku toho při přenosu velkých energetických toků při distribučním napětí mají supravodivá vedení nepopiratelné výhody.

Řešení problému vytvoření vložky slibuje velké vyhlídky na zlepšení systémů napájení megacities. V současné době jsou ve světě realizovány tři velké vědecké projekty s cílem přenášet vysoký výkon o středním napětí mezi dvěma rozvodnami při současném omezení zkratových proudů: projekt HYDRA, New York, USA; projekt AmpaCity, Essen, Německo 2 ; projekt "St. Petersburg", Rusko. Pojďme se na poslední projekt podívat blíže.

Ruský HTSC DC CL

Cílem projektu Petrohrad je vývoj a instalace supravodivého stejnosměrného vedení o výkonu 50 MW mezi dvěma městskými rozvodnami za účelem zvýšení spolehlivosti napájení spotřebitelů a omezení zkratového proudu v městské síti severní metropole. Projekt zahrnuje instalaci kabelového vedení mezi rozvodnou 330/20 kV „Centrální“ a rozvodnou 220/20 kV RP 9 (obr. 2). Supravodivé stejnosměrné vedení propojí obě rozvodny na straně vysokého napětí 20 kV. Délka vedení je 2 500 m, přenášený výkon je 50 MW. V projektu St. Petersburg jsou funkce přenosu výkonu a omezení zkratového proudu rozděleny mezi kabel a měniče, pokud jsou odpovídajícím způsobem nakonfigurovány. Supravodivý stejnosměrný kabel na rozdíl od střídavého kabelu nemá žádné energetické ztráty, což výrazně snižuje požadavky na napájení kryogenní instalace. U tohoto schématu však dochází k dalším ztrátám energie v měničích. Stejnosměrné vedení je aktivním prvkem sítě a umožňuje řídit toky energie v sousedních vedeních jak ve směru, tak ve smyslu vysílacího výkonu.

Vliv projektu na elektrické režimy

V energetické čtvrti rozvodny 330 kV „Tsentralnaja“ a rozvodny 220 kV RP 9 (dále jen Tsentralnaja/RP 9) může vzniknout řada posthavarijních stavů v důsledku nouzového odstavení vedení a spojených s rušením napájení spotřebitelů (přidělování energetických obvodů izolovaným zátěžím).

Výpočty ukázaly, že vyhrazení dodávek energie spotřebitelům prostřednictvím výstavby a uvedení do provozu elektrického vedení střídavého proudu (tradiční kabelové nebo nadzemní elektrické vedení) Central/RP 9 je nemožné, protože to zvyšuje závažnost post-havarijních podmínek. Tomu se lze vyhnout uvedením řízeného stejnosměrného přenosu do provozu pomocí HTSC DC CL.

Řízení velikosti a směru toku energie DC HTSC CL také umožňuje:

snížení ztrát činného výkonu v elektrických sítích (v důsledku přerozdělení a odstranění tranzitních toků výkonu);
připojování nových spotřebitelů na základě stávající infrastruktury elektrické sítě (přerozdělením toků energie a odstraněním současných přetížení elektrických sítí v běžných provozních a pohavarijních režimech energetických soustav).

Vliv projektu na úroveň zkratových proudů

Výpočty zkratových proudů byly provedeny 3 pro případ zavedení tradičního AC kabelového vedení do obvodu i kabelového vedení HTSC DC. Na základě výsledků výpočtu (tab. 1) docházíme k závěru, že zařazení kabelového vedení Central/RP 9 AC do schématu napájení Petrohradu vede ke zvýšení hodnoty zkratového proudu nad úroveň jmenovitého vybavovacího proudu spínačů. To znamená, že bude nutné zavést další opatření omezující proud nebo vyměnit spínací zařízení v rozvodnách. Použití kabelových vedení DC HSTP (Tabulka 3) nevede ke zvýšení zkratových proudů v energetické soustavě.

stůl 1 Výsledky výpočtu zkratových proudů

Označení: já 3 – třífázový zkratový proud; já 1 – jednofázový zkratový proud; já vypnuto – jmenovitý spínací proud spínačů (převzato na základě stavu spínačů rozvodny na úrovni roku 2014).

Odhad energetických ztrát v supravodivých vedeních

U střídavého vedení vysokého napětí dochází ke ztrátám elektrické energie v samotném kabelu, elektrické izolaci a proudových vstupech. Ve vedení stejnosměrného proudu nedochází ke ztrátám energie v kabelu a izolaci, ale existují v převodních zařízeních a proudových vstupech. Kromě toho kryogenní systém spotřebovává elektřinu pro kompenzaci veškerého přítoku tepla do studené zóny a pro čerpání chladiva po celé trase.

U třífázového střídavého vedení vysokého napětí s přenášeným výkonem 100 MVA jsou energetické ztráty na fázi součtem následujících hodnot:

elektromagnetické ztráty v jádru kabelu – 1,0–1,5 W/m;
přítok tepla přes kryostat – 1,5 W/m;
proudové přívody tepla – (200–300 W) x 2;
ztráta energie v izolaci je asi 0,1 W/m.

Celkový přítok tepla do studené zóny o délce třífázového vedení 10 km bude 78,5–93,5 kW. Vynásobením této hodnoty typickým koeficientem chlazení 20 získáte 1,57–1,87 MVA, tedy méně než 2 % přenášeného výkonu.

U podobného vedení stejnosměrného proudu je tepelný tok do studené zóny omezen pouze tepelným tokem kryostatem a proudovými vodiči. Pak bude celková ztráta energie v 10 km kabelu, s přihlédnutím ke kryogennímu systému, 0,31 MVA, neboli 0,31 % přenášeného výkonu.

Pro odhad celkových ztrát ve stejnosměrném vedení je třeba přičíst ztráty v měničích - 2 % přenášeného výkonu. Konečné ztráty v 10 km dlouhém stejnosměrném kabelovém vedení HTSC pro přenášený výkon 100 MW se odhadují na maximálně 2,5 % přenášeného výkonu.

Výše uvedené odhady ukazují, že energetické ztráty v supravodivých kabelových vedeních jsou výrazně menší než u tradičních kabelových vedení. S rostoucím přenášeným výkonem klesá procento energetických ztrát. Při dnešní úrovni materiálového výkonu je možný přenos energie 150–300 MW při 20 kV a až 1 000 MW při 110 kV.

Možnosti implementace

Úspěšné testy HTSC CL se stejnosměrnými a střídavými proudy prokázaly vysokou účinnost supravodivých vedení.

Jednou z hlavních výhod supravodivých kabelových vedení je schopnost přenášet velké energetické toky (stovky megawattů) při distribučním napětí. Tyto nové příležitosti je vhodné vzít v úvahu a využít je při projektování nebo radikální rekonstrukci síťových zařízení.

Například při rekonstrukci/vytváření energetického systému Nové Moskvy by bylo vhodné zajistit vytvoření podélných výkonných supravodivých vedení a propojit několik výkonných rozvoden do prstencové struktury se supravodivými stejnosměrnými vedeními na straně vysokého napětí. To výrazně zlepší energetickou účinnost sítě, sníží počet základnových rozvoden, zajistí vysokou řiditelnost energetických toků a v konečném důsledku zvýší spolehlivost dodávek energie spotřebitelům. Taková síť by se mohla stát skutečným prototypem chytré sítě budoucnosti.

Literatura

Glebov I. A., Černoplekov N. A., Altov V. A. Supravodivé technologie - nová etapa ve vývoji elektrotechniky a energetiky // Supravodivost: výzkum a vývoj. 2002. č. 41.
Sytnikov V. E. Supravodivé kabely a vyhlídky na jejich použití v energetických systémech 21. století // Supravodivost: výzkum a vývoj. 2011. č. 15.
EPRI. Superconducting Power Equipment Technology Watch 2012. Palo Alto, CA, USA, 2012.
Stemmle M., Merschel R, Noe M. Physics Procedia 36 (2012).
Sytnikov V. E., Kopylov S. I., Shakaryan Yu G., Krivetsky I. V. Přenos stejnosměrného proudu HTSC jako prvek „smart grid“ velkých měst. Sborník příspěvků z 1. národní konference o aplikované supravodivosti. M.: Národní výzkumné centrum "Kurčatovský institut", 2013.
Kopylov S., Sytnikov V., Bemert S. et. al. // Časopis Fyzika.: Konference. Série. 2014. V. 507. P. 032047.
Volkov E. P., Vysotsky V. S., Karpyshev A. V., Kostyuk V. V., Sytnikov V. E., Firsov V. P. Vytvoření prvního supravodivého kabelu v Rusku s využitím fenoménu vysokoteplotní supravodivosti. Sborník článků Ruské akademie věd „Inovativní technologie v energetickém sektoru“, ed. E. P. Volkov a V. V. Kostyuk. M.: Nauka, 2010.

1 Článek se zaměřuje na výsledky testů a vyhlídky širokého zavedení kabelových vedení HTSC DC do energetického průmyslu.

2 1. Projekt HYDRA, New York, USA. Cílem projektu je vyvinout a nainstalovat supravodivé kabelové vedení střídavého proudu mezi dvěma městskými rozvodnami v New Yorku. Vedení musí zajišťovat vysokokapacitní komunikaci (96 MVA) mezi rozvodnami na sekundární straně transformátorů (13,8 kV). Kabelový systém bude mít schopnost omezit zkratový proud díky rychlému přechodu pásek HTSC druhé generace do normálně vodivého stavu. Tím je zajištěna nízká hodnota odporu vedení ve jmenovitém režimu (supravodivý stav vedení) a přechod do stavu vysokého odporu při proudovém přetížení.
Projekt HYDRA kombinuje přenos vysokého výkonu a funkce omezení proudu v jednom zařízení – speciálně navrženém supravodivém kabelu. To velmi ztěžuje optimalizaci kabelu na základě možných podmínek sítě, podmínek chlazení a vedení kabelů. Technická řešení vyvinutá pro jeden projekt navíc nelze replikovat pro jiné z důvodu odlišných provozních podmínek a podmínek pokládky, a tedy podmínek chlazení kabelu, který musí periodicky přecházet ze supravodivého stavu do normálně vodivého.
2. Projekt AmpaCity, Essen, Německo. Cílem projektu je vyvinout a nainstalovat supravodivý střídavý přenos 40 MVA mezi dvěma městskými rozvodnami. Přenos tvoří 1000 m dlouhý supravodivý kabel a sériově zapojený omezovač proudu 10 kV. Tento přenos spojuje dvě rozvodny 110/10 kV Herkules a Dellbrugge v centru města Essen. Realizace projektu umožní vyřadit z provozu jeden transformátor 40 MVA a vedení 110 kV.
V projektu AmpaCity jsou funkce přenosu výkonu a omezení zkratového proudu rozděleny mezi kabel a omezovač proudu. To zjednodušuje konstrukční úkol každého zařízení a umožňuje výrobu kabelu s vysokým stupněm stabilizace, což v projektu HYDRA není možné. Samozřejmě je nutné sladit charakteristiky kabelu a proudového omezovače, ale není to náročný úkol a technická řešení vyvinutá během realizace projektu lze replikovat při vývoji dalších linek s podobnými parametry.

3 Výpočty byly provedeny na základě aplikace výhledového schématu energetického systému Petrohradu a Leningradské oblasti pro rok 2020.