Műszaki tudományok

UDC 537.312.62:620.018.45

ULTRAFINOM POR ALAPÚ HTSC KERÁMIA GYÁRTÁSI MÓDSZEREI ÉS TULAJDONSÁGAI

O.L. Khasanov

Tomszki Műszaki Egyetem E-mail: [e-mail védett]

Leírják az ultrafinom porokon alapuló, magas hőmérsékletű szupravezető kerámiák gyártására szolgáló technológia fejlesztésének eredményeit, beleértve az erős ultrahang hatására történő száraz tömörítési módszereket is. Indokolt optimális feltételeket HTSC por szintézisének és kerámiák szinterezésének folyamatai. Az adatokat az elektromágneses térernyők, a térfogati mikrohullámú rezonátorok és a HTSC kerámiából készült kerámia SQUID-minták teljesítménytulajdonságairól mutatják be.

Bevezetés

A modern kerámiaanyagok között kiemelt helyet foglal el a magas hőmérsékletű szupravezető (HTSC) kerámia. A 30 K feletti hőmérsékleten jelentkező szupravezetés jelenségét 1986-ban J. Bednorz és K. Müller fedezte fel kísérletileg a lantán-kuprát Ba-La-Cu-O családban, és hamarosan a kritikus szupravezető átmeneti hőmérsékleteket Tc érték el a folyadék forráspontja felett. nitrogén (77 TO). Ennek a küszöbnek a leküzdésével izgalmas távlatok nyíltak a HTSC-k gyakorlati alkalmazásában az elektronikában, a kommunikációtechnológiában és a precíziós mérésekben, az energetikában, az elektrotechnikában, a közlekedésben és más területeken.

A kutatás tehát nemcsak fundamentális, hanem alkalmazott szempontból is fejlődött. A kulcsproblémát olyan technológiák fejlesztése jelentette, amelyek lehetővé teszik a szükséges termékek előállítását olyan törékeny kerámia anyagokból, mint a komplex kuprátok: vezetékek és kábelek, induktorok, térfogati rezonátorok stb. A „kisáramú” alkalmazásoknál (elektronika, érzékelők) számos esetben eredményesnek bizonyult a fóliatechnológiák alkalmazása a HTSC fóliákon alapuló szerkezetek gyártásához. A „nagyáramú” alkalmazásoknál (energia, közlekedés, gyorsító technológia stb.) azonban továbbra is aktuális a nagy áramvezető képességű és stabil tulajdonságokkal rendelkező ömlesztett kerámia HTSC anyagok előállítására szolgáló technológiák fejlesztése.

Ez a cikk az YBa2Cu3O7_x családba tartozó HTSC kerámiák gyártási módszereinek fejlesztésével és tulajdonságainak vizsgálatával kapcsolatos kutatások főbb eredményeit mutatja be. A munka célja a HTSC fázisú ultrafinom por (UDP) szintézisére, tömörítésére és nagy kritikus jellemzőkkel rendelkező egyfázisú szupravezető kerámiák szinterezésére szolgáló módszerek kidolgozása volt.

Szilárd fázisú és önszaporító

A HTSC magas hőmérsékletű szintézise

Szupravezető ortorombikus fázis szintézise 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.

Mint ismeretes, a szilárd fázisú szintézis diffúziós folyamat. Lefolyásának és a szintézis termodinamikai körülményeinek elemzése azt mutatta, hogy ha az 1-2-3 fázis szintézisének hőmérsékletét a jól ismert 950 °C alá csökkentjük, a nem szupravezető 2-fázis kialakulásának valószínűsége Az 1-1. fázisú szemcsék szinterezését, ami nem kívánatos, megakadályozzuk. Ezek a feltételek akkor érhetők el, ha az összes reagenst vagy azok egyikét UDP formájában használjuk. Kimutattuk, hogy a kezdeti töltésben ultradiszperz állapotban elegendő csak rezet használni. Az 1-2-3 összetételű keverékben UDP felhasználásával

Cu, a szintézis hőmérséklete 920 °C-ra csökken, és a HTSC fázis képződésének időtartama 12 órával csökken, ami a magok számának növekedésével jár a geometriai tényező miatt - nagyobb szám és terület érintkezések a Cu UDP és a nagyobb U2O3 és BaCO3 részecskék között. A fázisképződés kinetikájának felerősödése a reagensek határfelületén a szubmikronos (a töltésben a maximális sztöchiometrikus tartalommal rendelkező) rézszemcsék anyagának diffúziós együtthatójának növekedése miatt következik be felületi aktivitásuk, hibásságuk és termodinamikai metastabilitásuk miatt. szerkezetének, valamint a szintézis közbenső fázisainak szemcséinek hatékony leválása a reagens nagyobb részecskéiről a szemcseközi feszültségek következtében. Ennek eredményeként egy egyfázisú UDP HTSC UVa2Cu307-x szintetizálódik, amelynek átlagos részecskemérete 0,4...0,7 μm, a szupravezető átmenet kritikus hőmérséklete Tc = 95 K és ennek az átmenetnek a szélessége Tc = 1 K.

A HTSC fázisok szintézise nem csak szilárd fázisú reakciókkal, hanem az önszaporodó magas hőmérsékletű szintézis (SHS) módszerével is megvalósítható, amikor a szintézis reakció rétegről rétegre valósul meg. a reagensek keverékének önmelegedése exoterm termikus hatás miatt.

Az ilyen exoterm hatású UVa2Cu307-x vegyület képződése a következő reakcióval lehetséges:

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

ahol BaO2, O2 oxidálószerek; A réz fémes, nem oxidált rézredukáló szer.

Az UDP Cu alkalmazása az ultrafinom részecskék magas tárolt energiája miatt felerősíti a szintézisreakciót és növeli annak O termikus hatását (meghatározza a reakció önfenntartóságát a töltésben).

Az SHS rendszer mintázatainak meghatározása érdekében 1-2-3 UDP Si nami segítségével

az oxigénáramban és levegőben zajló folyamat vizsgálata, az égési hőmérséklet további oxidálószer bevezetésével történő szabályozásának lehetősége, a kezdeti töltet tömörítési foka, valamint a minta geometriájának kiválasztása. Ezekben a vizsgálatokban az volt a feladat, hogy meghatározzuk azokat a feltételeket, amelyek mellett az égési hőmérséklet a 900,970 °C tartományba esik, i.e. megfelel a HTSC 1-2-3 fázis szintézisének és szinterezésének hőmérsékletének.

A kiindulási komponensek homogenizált keverékéből különböző átmérőjű Br (7, 10, 14 és 18 mm) tömörítéseket állítottunk elő, amelyek magassága 3 mm, száraz statikus egytengelyű préseléssel 50-350 MPa P préselési nyomáson.

Az égési hullámot a tömörítésekben kétféleképpen indították el: az egész kompaktot egy speciálisan erre a célra készített csőkemencében gyorsan 800 °C-ra melegítették, és elektromos tekercset használtak, amely a kompakt felületet 750 °C-ra melegítette fel. Közvetlenül az SHS után mindkét esetben nem volt megfigyelhető a mintákban a Meissner-effektus, és a HTSC fázis kialakulásához további 2,8 órás hőkezelésre volt szükség. Nyilvánvalóan a vizsgált geometriájú tömörítéseknél az égés beindul lényegében nem adiabatikus rezsim, amely nem felel meg a HTSC fázis kialakulásának termodinamikai feltételeinek.

Az SHS után végzett minták röntgenfázis-analízise a lágyítás előtt az U4Ba3O9, BaCuO2 fázisok, az 1-2-3 tetragonális fázis, az el nem reagált Cu0, Cu, Y2O3, valamint kis mennyiségű ortorombikus fázis jelenlétét mutatta ki. 1-2-3. A HTSC fázisú Csp tartalma 950 °C-on 2 órán át végzett lágyítás után 40%-ra, 6 órás 950 °C-on végzett lágyítás után 50,60%-ra emelkedett.

A Meissner-effektus x értékei, amelyek korrelálnak a minták HTSC-fázisának tartalmával, az SHS elindítása előtti töltés présnyomásától és a minták geometriájától függően, a 2. ábrán láthatók. 1.

Vagy = 14 mmu \ P = 18 mm m

■■ 1- -1-*-1-

Rizs. 1. A Meissner-effektus nagysága SHS-módszerrel szintetizált és 950 C-on 2 órán át (a), majd 6 órán keresztül (b) lágyított HTSC tömörítésekben - a P présnyomástól függően

Az UDP HTSC száraz sajtolása hatása alatt

ultrahang

A HTSC kerámiák gyártásának minden technológiai szakaszában figyelembe kell venni az ortorombikus HTSC 1-2-3 fázis metastabilitását, valamint az oxigéntartalomra és a vízgőz jelenlétére való nagy érzékenységét. Ebben a tekintetben releváns módszereket kidolgozni kemény HTSC por tömörítésére, különösen a nagy diszperzitású (UDP rézből szintetizáltak) kötőanyagok és lágyítók használata nélkül. Ezért a HTSC por ultrahangos behatás alatti száraz préselési módszerét (USV) alkalmaztuk, a préserőre merőlegesen.

E vizsgálatok célja az volt, hogy megvizsgáljuk a szinterezési hőmérséklet hatását az UDP Cu és szabványos technológiával előállított, különböző ultrahangos kezelési módok mellett préselt HTSC kerámiák sűrűségére.

A mintákat 11,2 mm átmérőjű tablettákká préseltük ultrahangos hatás mellett és statikus üzemmódban is. Az USV intenzitását az US generátor és az USV kimeneti feszültsége 50, 75 és 100 V-ra állította be, ami megfelelt a formafal AUZV = 5, 10 és 15 µm rezgési amplitúdóinak 21,5 kHz frekvencián. A szinterezést alacsony hőmérsékleten végeztük: 890 °C-on (UDP-rézzel készült minták esetén) és 950 °C-on (standard reagensekből származó minták esetén) 48 órán keresztül. A kísérleti eredményeket az 1. 2.

Minden préselési módnál a legsűrűbb kerámiákat UDP Cu-t tartalmazó töltetből szinterezték (1, 2, 3 értékek a 2. ábrán, b), bár a tömörítések sűrűsége nem monoton függött mind a töltés típusától, mind a a P és az USV értékei. Az UDP-vel rendelkező minták esetében az ultrahangos préselés a vizsgált tartományban és az USV gyakorlatilag nem befolyásolta a kerámia sűrűségét (1, 2 értékek, 2. ábra, b). Nyilvánvaló, hogy az UDP-ből szintetizált, erősen diszperz HTSC por esetében a szubmikronos részecskeméretek lényegesen kisebbek, mint az AUZV mátrix rezgési amplitúdója = 5, 10 és 15 μm, és a hang áthalad a kemény HTSC por tömörítésén anélkül, hogy a por vibrációs elmozdulását okozná. részecskék.

Csak P = 907 MPa és USV = 75 V (2. görbe, 2. ábra, a) mellett volt megfigyelhető a tömörítési sűrűség csökkenése - a por agglomerációja miatt az adott amplitúdójú vibrációs ultrahang hatására. A szinterezés után ezeknek a mintáknak a sűrűsége elérte a többi 907 MPa nyomáson préselt UDP minta sűrűségét (2. görbe, 2. ábra, b), ami aktiváló ultrahangos hatást jelez a préselt porszemcsékre.

A standard reagensekből készült kerámiák sűrűsége ultrahangos préselés után romlott ultrahangos préselésnél = 50 V, és javult ultrahangos préselésnél = 75 V, 100 V a statikus préseléshez képest (5. görbe, 2. ábra, b). A vizsgált USV módokban a durván eloszlatott HTSC töltésnél a rezgés amplitúdójának a részecskék vagy agglomerátumok méretével való egybeesésének kvázi rezonáns hatásai mutatkoztak meg, ami a tömörített és szinterezett kerámiák sűrűségének növekedésében tükröződik USV = 10 és 15 mellett. μm (USV = 75 és 100 V - 5. görbék a 2. ábrán).

Az alacsony szinterezési hőmérsékletnek köszönhetően (890 °C az UDP-ből készült mintáknál és 950 °C a standard reagensekből készült mintáknál) a HTSC kerámiák sűrűsége ezekben a kísérletekben nem haladta meg az 5,45 g/cm3-t - az elméleti sűrűség 86%-át. Az UDP HTSC száraz préselési és szinterezési módjának optimalizálása után a kerámia sűrűsége elérte a 6 g/cm3 értéket (lásd 1. táblázat).

A kerámia HTSC termékek elektromos jellemzőit jelentősen befolyásolja az anizotróp szupravezető fázis szemcséinek mérete és textúrája. A hagyományos hőkezelés során a HTSC szinterezés ezen szakaszában nincs kifejezett szemnövekedési anizotrópia. A perovszkitszerű 1-2-3 fázis anizotróp szemcséinek egytengelyű száraz sajtolása során létrejövő irányú deformáció azonban egy bizonyos preferált irányt hoz létre, és a rendszer megszűnik izotróp lenni. A szinterezési folyamat során a préserő irányára merőlegesen orientált szemcsenövekedés következik be, azaz. textúra alakul ki. Ha az egytengelyű száraz tömörítés során a HTSC kompaktot hosszú ideig (10...20 óráig) nyomás alatt tartják (azaz egyenletes feszültség és alakváltozási irány jön létre benne),

Rizs. 2. Tömörítések pp (a) és szinterezett HTSC kerámiák pc (b) sűrűsége az ultrahangos kezelés intenzitásától és az UDP HTSC préselési nyomásától függően: 1) 746 MPa; 2) 907 MPa; 3) 1069 MPa; és töltés standard reagensekből: 4) 746 MPa; 5) 907 MPa

ció), akkor az átkristályosítási folyamat során ezt az irányt választjuk ki a szemcsenövekedés szempontjából. A perovszkitszerű 1-2-3 fázis anizotróp szemcséi, amelyekben a szupravezető CuO2 síkok merőlegesek a nyomóerő irányára, túlnyomórészt ezen síkok mentén nőnek (a deformációs erő mentén) és jelentős méreteket érnek el (tovább mint 10 μm). Az anyag diffúziós áramlásának ezen irányok mentén történő újraeloszlása ​​miatt a szemcsék növekedése minden más irányban gátolt. Így alakul ki a HTSC kerámiák textúrájának folyamata. ábrán. A 3. ábra a meghatározott körülmények között szinterezett 1-2-3 texturált kerámiák mikroszerkezetét mutatja (a pásztázó elektronmikroszkópos adatokat Philips SEM-15 mikroanalizátoron V. N. Lisetsky segítségével szereztük meg).

Vizsgálataink kimutatták, hogy az 1-2-3 kerámiák UDP-szintetizált HTSC-ből történő szinterezésekor a textúra kialakulása optimálisan 300 MPa feletti egytengelyű szárazsajtolási nyomáson, 10 óránál hosszabb préselési idő mellett ilyen terhelésnél és szinterezésnél megy végbe. 950...975 °C hőmérsékleten.

A HTSC kerámiák elektrofizikai tulajdonságai

és kifejlesztett termékek

Induktív módszerrel (Тс; ATC), 4 érintkezős módszerrel (Тс; ATC) kalibrált berendezéseken teszteltük a HTSC kerámiák mintáinak szupravezető és egyéb fizikai tulajdonságait, és termékeket fejlesztettünk (HTSC SQUIDS, elektromágneses terek képernyői, térfogati rezonátorok); kritikus áram jc ), valamint a JINR Neutronfizikai Laboratórium (Dubna) speciális berendezésein; a MIREA Mikrohullámú Rádiómérnöki Laboratóriumában (Moszkva); a TPU Nukleáris Fizikai Kutatóintézetében, a Félvezető Eszközök Kutatóintézetében, a TSU Szibériai Fizikai és Technológiai Intézetében, KB "Project" (Tomsk). táblázatban 1. ábrán. 4

Bemutatjuk a fent leírt technológiával gyártott HTSC kerámiaminták paramétereinek mérési eredményeit.

Kerámiából készült volumetrikus mikrohullámú rezonátorok és elektromágneses terek HTSC-ernyői 1-2-3 kerámiából készült kenyértábla minták 50 mm átmérőjű, 40 mm magas, 4 mm falvastagságú üreges hengerek formájában, végtárcsákkal együtt 50 mm átmérőjű és 4 mm vastagságú UDP Si technológiával készültek. A HTSC kerámiák sűrűsége 5,5 g/cm3, kritikus hőmérséklete Tc = 88 K. Az ilyen rezonátorok minőségi tényezője T = 4,2 K folyékony hélium hőmérsékleten mérve O = 2700 volt / = 10 GHz frekvencián (R = 3 cm), a lemezek felületi ellenállása azonos körülmények között -0,04 Ohm (a méréseket a TPU Nukleáris Fizikai Tudományos Kutatóintézetének 46-os laboratóriumában, G. M. Samoilenko végezte).

1. táblázat: HTSC kerámiaminták elektrofizikai tulajdonságai

Paraméter Рс " g/cm3 d,* μm Tc, K ATC, K j ** A/cm2 Qi Q2

Kerámia 1-2-3 UDP Cu alapú 5,9...6,0 10,20 95 3,5 920 150 250 150 241

Kerámia 1-2-3 standard reagensekből 5,2...5,5 40,50 90 1,5 90

Átlagos szemcseméret az optikai és pásztázó elektronmikroszkóp szerint;

**]с - 4 szondás módszerrel meghatározott kritikus áramsűrűség (77 K, 0 T);

th - a polírozott kerámia minták minőségi tényezője / = 3 GHz (2A / = 20 MHz) frekvencián szobahőmérsékleten (a számlálóban) és 77 K-en (a nevezőben), a Mikrohullámú Rádiótechnikai Laboratóriumban mérve MIREA O.M. Oleinik;

Az O2 ugyanazon minták minőségi tényezője, azonos körülmények között mérve egy évvel később, jelezve a kerámiák degradációs ellenállását.

Rizs. 3. UDP-ből szinterezett texturált HTSC kerámiák 1-2-3 SEM-képe sajtolás közbeni előterhelés után, valamint a röntgenfázis-analízis oszlopdiagramja (CoKa-sugárzás)

Rizs. 4. Szupravezető átmeneti görbék UDP Cu felhasználásával gyártott HTSC kerámiákhoz: 1, 2) száraz statikus préselés, szinterezés 920 és 950 °C-on (a Tc_ méréseket FLNP JINR-en végezte V. N. Polushkin); 3) Ultrahangos préselés, szinterezés 950 C-on (A T méréseket az LSVChR MIREA cégnél, A.A. Bush végezte)

Ugyanazokat a hengeres mintákat, mint az elektromágneses mezők képernyőjét, a PP Kutatóintézetében (Yu.V. Lilenko) és a TSU SPTI-jében (A.P. Ryabtsev) vizsgálták.

Rizs. 5. A HTSC henger árnyékolási tulajdonságai

Rizs. 6. A VPC hiszterézise HTSC henger szupravezető állapotában (T=77K)

A HTSC hengeren kívül elhelyezkedő fogadó (külső) tekercs IC feszültségének mérésére egy technikát alkalmaztak, miközben az I tesztáram az üreges HTSC henger belsejében elhelyezett generáló (belső) tekercsen haladt át. A Пс = /(I) függőségeket a képernyő szupravezető állapotában (7 = 77 K) és normál állapotban (293 K-en) vettük fel - ábra. 5. Árnyékolási együttható 7=77 K-en

10 kHz-es frekvencián az érték £>100 volt. A HTSC képernyő feszültség-mező karakterisztikájának (VFC) hiszterézise 77 K-en, ellentétben a 300 K-en lévő állandóval (6. ábra), a vizsgált termék diamágneses tulajdonságait is jelzi (áram a mintán keresztül 1 m). = 1,3 mA / = 10 kHz).

A szupravezető kvantum-interferencia-érzékelő (SQUID) érzékenységét a következő paraméterek jellemzik:

in = 2 ■1 -ft

Itt b ~ 10-9,10-10 H a kvantáló áramkör induktivitása kerámia SQUIDS-ben, amely általában 0,5-1,0 mm átmérőjű lyuk; 1C - kritikus áram a Josephson-csomóponton (JJ); Ф0=2,07-10-15 V - mágneses fluxuskvantum. A HTSC SQUID-ok esetében a β = 1,2 értékek ténylegesen elérhetők. Ezért az I értékének 1,10 mA-nek kell lennie. A HTSC kerámiák esetében a kritikus áramsűrűség értékeket kaptuk: Х=1/$=10...103 A/cm2 = 0,1,10 μA/μm2 78 K üzemi hőmérsékleten (κ a keresztmetszeti terület a HTSC kerámiából). Ebből következik, hogy a DP keresztmetszeti területének a SQUID-ban belül kell lennie

0.1.100.µm2, azaz a DP jellemző méretei 0,3,10 mikron legyenek. Ez a feltétel a HTSC kerámiák átlagos szemcseméretét határozza meg. A Zimmermann típusú kerámia HTSC tintahal előállítása során a HTSC kerámiákban a jelzett méretű szemcsékből történő DP képzésére a fent leírt szilárd fázisú szintézis és száraz sajtolás módszereit alkalmaztuk. A DP egy HTSC tablettában, két lyuk között alakult ki 5,7–6,0 g/cm3 sűrűségű, 10,20 μm-es textúrasíkban lévő, sűrű textúrájú HTSC kerámiák öntési és szinterezési folyamata során. Ezután optikai mikroszkóp alatti vezérlésű mechanikus leírással, majd oxigénáramban végzett hőkezeléssel elértük a szükséges ~10 μm DP vastagságot. A SQUID-ok érzékenysége a külső mágneses térre elérte az 1,2 μV/Fo értéket.

Így a munka eredményei alapján a következő következtetéseket vontuk le:

1. Természetes körülmények között az 1-2-3 összetételű ömlesztett töltet és a tömörített SHS sem vezet HTSC fázis kialakulásához, amelynek szintézise további izzítást igényel 950 °C-on.

2. A vizsgált geometriájú tömörítmények felületéről elektromos impulzus hatására az SHS levegőben történő iniciációja csak az UDP Cu-val történő töltésnél figyelhető meg; a durva réz használata ebben az esetben nem biztosítja a reakció szükséges termikus hatását.

3. A HTSC fázis SHS módszerrel történő kialakításához analitikai minőségűnél nem rosszabb minőségű reagensek szükségesek (elsősorban Ba02 oxidálószer).

4. A vizsgált geometriai mérettartományban az SHS HTSC optimális alaktényezője Нр/Вр = 3/\4, préselési nyomás >150 MPa. Ilyen körülmények között a kerámia sűrűsége elérte a 4,6 g/cm3 értéket, a HTSC fázis tartalma 54%, T = 86 K, AT = 5 K.

5. Az ultrahang hatására végzett száraz préselés durván eloszlatott HTSC töltés esetén az AUZV mátrix = 10 és 15 μm oszcillációs amplitúdója esetén hatásos, amikor kvázi rezonancia hatások jelentkeznek, amikor az oszcillációs amplitúdó egybeesik a részecskék vagy agglomerátumok méretével.

6. Az 1-2-3 kerámiák szintetizált UDP HTSC-ből történő szinterezésekor a textúra kialakulása optimálisan 300 MPa feletti egytengelyű szárazpréselési nyomáson megy végbe, a préselés időtartama ennél.

10 óránál hosszabb terhelés és 950...975 °C szinterezési hőmérséklet.

7. Az UDP HTSC szilárdfázisú szintézisének és száraz tömörítésének technológiája hatékonyan alkalmas magas kritikus paraméterekkel rendelkező sűrű textúrájú HTSC kerámiák szinterezésére és HTSC termékek előállítására belőle: elektromágneses terek képernyői, rezonátorok, SQUIDS.

Az ultrahangos préselés körülményeinek elemzésével kapcsolatos munkát az Orosz Alapkutatási Alapítvány támogatta, 01-03-32360 pályázat.

BIBLIOGRÁFIA

1. Tretyakov Yu.D., Gudilin E.A. A fém-oxid szupravezetők előállításának kémiai elvei // Advances in Chemistry. - 2000. - T. 69. - 1. sz. - P. 3-40.

2. Didenko A.N., Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L. és mások Ultrafinom porok alkalmazása szupravezető kerámiák U-Ba-Cu-O szintézisében // Magas hőmérsékletű szupravezető anyagok fizikokémiája és technológiája. - M.: Nauka, 1989. - P. 133-134.

3. Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L. Ultrafinom porokon alapuló, nagy sűrűségű texturált HTSC kerámiák szintézise és tulajdonságainak vizsgálata // In: High-temperatura superconductivity. - Tomszk: Az RSFSR "VTSP" RSTP Tudományos Tanácsa. - 1990. - P. 28-34.

4. Pat. 1829811 Orosz Föderáció. MKI N01b 39/14. Módszer magas hőmérsékletű szupravezető UBa2Ci3O7-x / O.L monofázisú, erősen diszpergált por előállítására. Khasanov, G.F. Ivanov, Yu.P. Pokholkov, G.G. Saveljev. 94.03.23-tól.

5. Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L., Szokolov V.M. és mások az ultradiszperz technológia jellemzői a magas hőmérsékletű szupravezető kerámiák gyártásához // Elektrotechnika. - 1996. - 11. sz. - P. 21-25.

6. Merzhanov A.G., Peresada A.G., Nersisyan M.D. és mások // JETP Letters. - 1988. - T. 8. - Szám. 11. - 604-605.

7. Khasanov O.L., Szokolov V.M., Pokholkov Yu.P. és mások az UBa2Cu3O7-x erősen diszpergált por ultrahangos tömörítése // Magas hőmérsékletű szupravezetők anyagtudománya: Proc. jelentés II Nemzetközi. konf. - Harkov: NASU Egykristályok Intézete, 1995. - 149. o.

8. Khasanov O.L., Szokolov V.M., Dvilis E.S. és mások Ultrahangos technológia szerkezeti és funkcionális nanokerámiák gyártásához // Perspektíva anyagok. - 2002. - 1. sz. - P. 76-83.

9. Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L., Roitman M.S. és mások Kerámia HTSC tintahal gyártási technológiájának és az ezeken alapuló alap magnetométernek a fejlesztése // Konverzió a műszerkészítésben: Proc. jelentés tudományos-műszaki szeminárium. - Tomszk: TPU, 1994. - 32. o.

UDC 621.039.33:541.183.12

HASONLÓ TULAJDONSÁGÚ IZOTÓPOK ÉS IONOK ELVÁLASZTÁSA CSEREFOLYAMATOKBAN A FÁZISÁRAMLÁS ELEKTROKÉMIAI INVERTÁLÁSÁVAL

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

Tomszki Műszaki Egyetem E-mail: [e-mail védett]

Bemutatjuk az izotópok és ionok csereleválasztásával kapcsolatos elméleti és kísérleti vizsgálatok eredményeit. A csererendszerben a fázisáramok megfordítása az elektrodialízis folyamatában az izotópos és ionos formák elektromigrációs szubsztitúciója során történik.

A komplex elméleti és ex-izotópcsere lebonyolítása az izotóphatékony elválasztási eljárások folyamatainak nem kísérleti kutatásának tanulmányozására irányul, az elválasztás fejlesztése fontos tudományos és gyakorlati új izotópleválasztási és ionos jelentőségű technológiák, az igények határozzák meg. hasonló tulajdonságokkal. nukleáris ipar. Kutatás a területen

Oxid magas hőmérsékletű szupravezetők alapján készült. A szupravezető kerámiát 1986-ban először J. Bednorz és K. Müller szerezte meg, akiket ezért a felfedezésért Nobel-díjjal tüntettek ki. Ez a kerámia lantánból, báriumból és réz-oxidból (La 2-x Ba x CuO 4) készült, és szokatlanul magas volt. szupravezető anyagok szupravezető átmeneti hőmérséklet Tc = 35 K. Egy évvel később P. Chu vezetésével YBa 2 Cu 3 O 7-x ittrium-bárium-réz-oxid alapú kerámiákat készítettek Tc = 93 K . Ezek a felfedezések ígéretessé tették a szupravezetést a gyakorlati alkalmazásokban.

A magas hőmérsékletű szupravezető kerámiák a hagyományos kerámiaanyagokhoz hasonlóan oxidporokból készülnek. Az oxidkerámia magas hőmérsékletű szupravezetők gyártása a következő főbb lépésekből áll: a töltés kezdeti komponenseinek adagolása, a töltés homogenizálása, magas hőmérsékletű (800-1100 o C hőmérsékleten) szintézis, beleértve a töltés közbenső őrlését. , valamint kerámiatermékek öntése (sajtolása) és szinterezése.

A keletkező anyagok sűrűségét és mikroszerkezetét erősen befolyásolja a kiindulási por állapota és a szintézis körülményei. A kerámia anyagok orientálatlan szemcséket, pórusokat és szinte mindig idegen fázisok keverékét tartalmazzák. A magas hőmérsékletű szupravezető kerámiák szintézise során a finomszemcsés porok alacsonyabb hőmérsékleten kezdenek szinterekedni, mint a durva szemcsések. Ezzel elkerülhető a jelentős mennyiségű folyadékfázis képződése és a minta deformációja. Kis mennyiségű szennyező oxid bevitele az alapkompozícióba pozitív hatással van a kerámiák tulajdonságaira, elősegítve a szükséges textúra kialakulását.

A HTSC kerámiák mechanikai és elektromágneses tulajdonságait közvetlenül meghatározza egy jelentősen inhomogén szerkezet, amely szemcsékből, pórusokból és mikrohibákból áll, amelyek általában a szemcsehatárokon helyezkednek el. A szinterezés során a szupravezető kerámiák mikroszerkezetének kialakulása és megsemmisülése megy végbe, ami hozzájárul a belső feszültségek kialakulásához, az anyag működéséhez különböző mechanikai és termikus körülmények között. A szupravezető kerámiák szupravezető szemcsékből állnak, amelyekre jellemző a meglehetősen nagy kritikus áramsűrűség jcr, de mivel a szemcseközi térben alacsony a jcr, a magas hőmérsékletű kerámiák szállítóáramának kritikus sűrűsége csökken, ami megnehezíti a technológiai alkalmazását.

A mai napig meglehetősen nagy számban hoztak létre olyan szupravezető kerámiákat, amelyek Y, Ba, La, Nd, Sm, Eu, Cd, Ho, Er, Tm, Lu ritkaföldfém elemeket tartalmaznak. Ezeknél a kerámiáknál a kísérleti vizsgálatok a szupravezető átmeneti hőmérsékletet a 86 K és 135 K közötti hőmérséklet-tartományban adják meg.

A legelterjedtebbek a lantánkerámiák (La1-xBa)2CuO1-y Tc = 56 K, az Y-Ba-Cu-O alapú ittrium kerámiák, amelyek Tc = 91 K, és a Bi-Sr-Ca-O alapú bizmut kerámiák Tc-vel. = 115 K, a Tl-Ba-Ca-Cu-O alapú talliumkerámiák Tc = 119 K-vel, a higanykerámiák HgBa2Ca2Cu3O8+x Tc-vel = 135 K.

A texturált kerámiák előállítására olyan technológiát fejlesztettek ki, amely lehetővé tette az áramsűrűség nagyságrendekkel történő növelését. A kellően nagy termékek, vezetékek vagy szalagok előállítása magas hőmérsékletű kerámia szupravezetőkből azonban továbbra is meglehetősen nehéz technológiai feladat. A különböző formájú és méretű kompakt, masszív elemek általában Y-Ba-Cu-O oxid-szupravezető kerámiából készülnek, a hosszú kompozit szupravezetők pedig Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O vegyületeken alapulnak különböző fémekből és ötvözetekből álló héjban. Az ilyen termékek folyékony nitrogén és az alatti hőmérsékleten szupravezető hatást fejtenek ki, nagy áramfelvételi jellemzőkkel rendelkeznek, és használatukkal lehetővé teszik az elektromos eszközök tömegének és méreteinek jelentős csökkentését, az üzemeltetési költségek csökkentését, valamint rendkívül hatékony és környezetbarát elektromos rendszerek létrehozását.

Mikrohullámú alkatrészekben vékony HTSC kerámia filmeket használnak egykristályos hordozókon. Általában a HTSC filmek fő paraméterei közé tartozik az ellenállás és a mágneses szuszceptibilitás. Előállításuk szubsztrátumra történő leválasztással lézer- és elektronsugaras bepárlással, kémiai gőzleválasztással, közvetlen és reaktív katódporlasztással, valamint molekulasugaras epitaxiával történik.

1986-ban I. G. Bednorz és K. A. Muller fedezte fel a magas hőmérsékletű szupravezetőket (HTSC). A HTSC kritikus hőmérséklete általában a nitrogén forráspontja (77 K) felett van. Ezeknek a vegyületeknek az alapja a réz-oxid, ezért gyakran nevezik őket kuprátoknak vagy fém-oxidoknak. 1987-ben YBa 2 Cu 3 O 7 kerámiákon 92 K szupravezető átmeneti hőmérsékletet értek el; ezt követően talliumvegyületekben 125 K-re emelték. A HTSC kutatás 10 éve alatt elért legmagasabb kritikus hőmérséklete (~145 K) a higanyalapú vegyületeké. Jelenleg több mint két tucat HTSC vegyület ismert - különféle fémek kuprátjai, amelyeket az alapfémek szerint neveznek: ittrium (például YBa 2 Cu 3 O 7-x, Tc ~ 90 K), bizmut (Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8, Tc ~ 95 K), tallium (Tl 2 BaCaCu 2 O 8, Tc~110 K), higany (HgBa 2 CaCu 2 O 6 Tc~125 K).

Az oxid szupravezetők általában 4-5 különböző típusú atomot tartalmaznak, és egy egységnyi krisztallográfiai cella legfeljebb 20 atomot tartalmaz. Szinte minden HTSC réteges szerkezetű, réz- és oxigénatomok síkjai. A köztes rézrétegek száma eltérő lehet, amelyekben a CuO 2 rétegek száma eléri az 5-öt. Az oxigén jelenléte jelentős szerepet játszik a szupravezetés mechanizmusa. Számos kísérlet eredménye azt mutatja, hogy a krisztallográfiai rácsban az oxigénes síkok képezik a fő objektumot, amelyek felelősek mind ezen oxidvegyületek vezetőképességéért, mind pedig a szupravezetés magas hőmérsékleten történő előfordulásáért.

A HTSC-k a II. típusú szupravezetők tipikus képviselői, a londoni hossz és a koherencia hossz aránya igen nagy – több száz nagyságrendű. Ezért a mágneses tér H c 2 nagyon magas értéke van, különösen a Bi 2212 esetében körülbelül 400 T, és H c 1 több száz oerstednek felel meg (a mező kristályhoz viszonyított orientációjától függően).

A legtöbb HTSC-t erős anizotrópia jellemzi, ami különösen az anyagok mágneses momentumának a térerősségtől való függésének nagyon szokatlan természetéhez vezet, ha az a fő krisztallográfiai tengelyek felé hajlik. A hatás lényege, hogy a jelentős anizotrópia miatt kezdetben energetikailag kedvezőbb, ha az örvényvonalak a CuO 2 rétegei között helyezkednek el, és csak ezután, egy bizonyos térérték után kezdenek ezeken a síkokon áthatolni.

Kísérleti technika Szupravezetők mágneses tulajdonságainak és Tc-jének mérése

A szupravezetők mágneses tulajdonságainak mérésére használt technika elvileg nem különbözik a közönséges mágneses anyagok, például a ferromágnesek mérésére használt technikától, kivéve, hogy képesnek kell lennie nagyon alacsony hőmérsékleten történő működésre. A kísérleti módszerek két csoportra oszthatók: azok, amelyekben a mágneses fluxus BAN BEN mérik a mintában, és azokat, amelyekben a minta mágnesezettségét mérik én(23. ábra). Ezen módszerek mindegyike teljes körű információt ad a minta mágneses tulajdonságairól, de a körülményektől függően választhat ezek közül az egyiket vagy a másikat. A mágneses mérésekhez különféle bonyolultságú berendezéseket használnak az érzékenységtől, az automatizálás mértékétől stb. függően. Mindez a technológia azonban egyszerű módszereken alapul, amelyek közül most az egyikre összpontosítunk.

Ma láttam ezt a megjegyzést és az alatta zajló vitát. Tekintettel arra, hogy ma szupravezető kábelek gyártásával foglalkoztam, szerettem volna beszúrni pár megjegyzést, de csak olvasható... Ennek eredményeként úgy döntöttem, írok egy rövid cikket a magas hőmérsékletű szupravezetőkről.

Először is, minden esetre szeretném megjegyezni, hogy maga a „magas hőmérsékletű szupravezető” kifejezés olyan szupravezetőket jelent, amelyek kritikus hőmérséklete meghaladja a 77 K (-196 °C) - az olcsó folyékony nitrogén forráspontját. Gyakran tartalmaznak körülbelül 35 K kritikus hőmérsékletű szupravezetőket, mert Ez volt az első szupravezető La 2-x Ba x CuO 4 kuprát (változó összetételű anyag, tehát x) hőmérséklete. Azok. A „magas” hőmérséklet itt még mindig nagyon alacsony.

Két magas hőmérsékletű szupravezetőt széles körben alkalmaznak - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) és Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Az YBCO-hoz hasonló anyagokat is használnak, amelyekben az ittriumot egy másik ritkaföldfém elem, például gadolínium helyettesíti, általános elnevezésük ReBCO.
Az előállított YBCO és más ReBCO kritikus hőmérséklete 90-95 K. Az előállított BSCCO eléri a 108 K kritikus hőmérsékletet.

A magas kritikus hőmérséklet mellett a ReBCO és a BSCCO a kritikus mágneses mező (folyékony héliumban - több mint 100 T) és a kritikus áram nagy értékeivel is megkülönböztethető. Utóbbinál azonban nem minden olyan egyszerű...

A szupravezetőben az elektronok nem önállóan mozognak, hanem párban (Cooper-párok). Ha azt akarjuk, hogy az áram áthaladjon az egyik szupravezetőből a másikba, akkor a köztük lévő résnek kisebbnek kell lennie, mint ennek a párnak a jellemző mérete. Fémek és ötvözetek esetében ez a méret több tíz vagy akár több száz nanométer. De az YBCO-ban és a BSCCO-ban ez csak néhány nanométer és egy nanométer töredéke, a mozgás irányától függően. Még a polikristály egyes szemcséi közötti hézagok is eléggé észrevehető akadálynak bizonyulnak, nem beszélve a szupravezető egyes részei közötti résekről. Ennek eredményeként a szupravezető kerámiák, hacsak nem alkalmaznak speciális trükköket, csak viszonylag kis áramot képesek átvezetni magukon.

A problémát legegyszerűbben a BSCCO-ban oldották meg: szemcséi természetesen sima élekkel rendelkeznek, és a legegyszerűbb mechanikai tömörítés lehetővé teszi, hogy ezeket a szemcséket nagy kritikus áramérték elérése érdekében rendezzék. Ez lehetővé tette a magas hőmérsékletű szupravezető kábelek, vagy inkább a magas hőmérsékletű szupravezető szalagok első generációjának gyors és egyszerű létrehozását. Ezek egy ezüst mátrix, sok vékony, BSCCO-val töltött csövet tartalmaznak. Ez a mátrix lelapul, és a szupravezető szemcséi elérik a kívánt sorrendet. Vékony rugalmas szalagot kapunk, amely sok egyedi lapos szupravezető magot tartalmaz.

Sajnos a BSCCO anyaga korántsem ideális: kritikus árama nagyon gyorsan csökken a külső mágneses tér növekedésével. Kritikus mágneses tere meglehetősen nagy, de jóval e határérték elérése előtt elveszíti azt a képességét, hogy bármilyen nagy áramot átengedjen. Ez nagymértékben korlátozta a magas hőmérsékletű szupravezető szalagok használatát, nem tudták helyettesíteni a folyékony héliumban működő jó öreg nióbium-titán és nióbium-ón ötvözeteket.

A ReBCO teljesen más kérdés. De a megfelelő szemcseorientáció létrehozása nagyon nehéz. Csak viszonylag nemrég tanultak meg szupravezető szalagokat készíteni ezen az anyagon. Az ilyen, második generációs szalagokat úgy állítják elő, hogy szupravezető anyagot porlasztanak egy olyan hordozóra, amelynek speciális textúrája van, amely meghatározza a kristálynövekedés irányát. A textúra, ahogy sejthető, nanométeres, tehát ez igazi nanotechnológia. A moszkvai SuperOx cégnél, ahol valójában voltam, egy ilyen szerkezet létrehozásához öt közbenső réteget permeteznek egy fém hordozóra, amelyek közül az egyiket egyidejűleg egy bizonyos szögben beeső gyors ionárammal permetezzük. Ennek eredményeként ennek a rétegnek a kristályai csak egy irányban nőnek, amelybe az ionok a legnehezebbek kiporlasztani őket. Más gyártók, amelyekből négy van a világon, más technológiákat alkalmazhatnak. A hazai szalagok egyébként ittrium helyett gadolíniumot használnak, technológiailag fejlettebbnek bizonyul.

Második generációs szupravezető szalagok 12 mm szélességgel és 0,1 mm vastagságú folyékony nitrogénben külső mágneses tér hiányában akár 500 A áramot engednek át. 1 T erősségű külső mágneses térben a kritikus áram továbbra is eléri a 100 A-t, és 5 T-nál - 5 A-ig Ha lehűti a szalagot folyékony hidrogén hőmérsékletére (a nióbiumötvözetek ezen a hőmérsékleten még csak nem is mennek szupravezető állapotba), akkor ugyanaz a szalag képes lesz átmenni 500 A 8 T-os mezőben, és „valami” 200-300 A 8 T-os mezőben pár tíz Tesla (repül a béka). A folyékony héliumról nem kell beszélni: ezeken a szalagokon mágnesek vannak, amelyek mezője 100 Tesla! Igaz, itt teljes erővel jelentkezik a mechanikai szilárdság problémája: a mágneses tér mindig hajlamos megtörni az elektromágnest, de amikor ez a tér eléri a több tíz teslát, akkor a törekvései könnyen megvalósulnak...

Mindezek a kiváló technológiák azonban nem oldják meg a két szupravezető darab összekapcsolásának problémáját: bár a kristályok egy irányba vannak orientálva, szó sincs a külső felület szubnanométer méretű érdességre való polírozásáról. A koreaiaknak van egy technológiájuk az egyes csíkok egymással való szinterelésére, de ez még mindig enyhén szólva messze nem tökéletes. A szalagokat jellemzően hagyományos forrasztással kötik össze, hagyományos ón-ólom forrasztással vagy más klasszikus módszerrel. Természetesen ilyenkor véges ellenállás jelenik meg az érintkezőn, így ilyen szalagokból nem lehet olyan szupravezető mágnest létrehozni, ami nem igényel hosszú évekig tartó áramot, és egyszerűen egy pontosan nulla veszteségű vezetéket. De az érintkezési ellenállás a mikroohm kis töredéke, így 500 A áram mellett is csak a milliwatt töredékei szabadulnak fel ott.

Természetesen egy népszerű tudományos cikkben több szórakozásra vágyik az olvasó... Íme néhány videó a második generációs, magas hőmérsékletű szupravezető szalaggal végzett kísérleteimről:

Az utolsó videót egy YouTube-on megjelent komment hatására rögzítették, amelyben a szerző azzal érvelt, hogy szupravezetés nem létezik, és a mágnes lebegése teljesen független hatás, amely mindenkit arra kér, hogy az ellenállás közvetlen mérésével ellenőrizze helyességét. Amint látjuk, a szupravezetés még mindig létezik.

MAGAS HŐMÉRSÉKLETŰ SZUPERVEZETŐ DC KÁBELVONALAK – LÉPÉS AZ INTELLIGENS HÁLÓZATI HÁLÓZATOK felé

V.E. Szitnyikov, a mérnöktudomány doktora, JSC “NTC FSK EES”
TÉVÉ. Ryabin, a JSC „NTC FSK EES” igazgatóhelyettese
D.V. Sorokin, mérnökjelölt, JSC “NTC FSK EES”

Kulcsszavak: szupravezető kábelek; elektromos hálózat, kritikus áram, kriogenika.

A XXI. század villamos iparának biztosítania kell az energiatermelés, szállítás és felhasználás magas hatékonyságát. Ez az energiarendszer kezelhetőségével, valamint az ökológiai és erőforrás-takarékossági paraméterekkel szembeni magasabb követelményekkel érhető el a villamos energia előállítás és elosztás minden szakaszában. A szupravezető technológiák alkalmazása lehetővé teszi az iparág minőségileg új szellemi működési szintjének elérését. A PAO FSK EES megvalósította a K+F programot, amely magában foglalja a magas hőmérsékletű szupravezető AC és DC kábelvonalak (továbbiakban HTSC CL) fejlesztését.

Leírás:

A 21. század villamosenergia-iparának magas hatékonyságot kell biztosítania az energiatermelésben, -szállításban és -fogyasztásban. Ez a villamosenergia-rendszer szabályozhatóságával, valamint a környezet- és erőforrás-takarékos jellemzőkkel szembeni követelmények növelésével érhető el a villamosenergia-termelés és -elosztás minden szakaszában. A szupravezető technológiák alkalmazása lehetővé teszi, hogy az iparág minőségileg új szellemi működési szintjére lépjünk. A PJSC FGC UES kutatás-fejlesztési programot fogadott el, amely magában foglalja a váltóáramú és egyenáramú magas hőmérsékletű szupravezető kábelvonalak (a továbbiakban: HTSC CL) létrehozását.

V. E. Szitnyikov, mérnöki doktor. Sciences, tudományos igazgató-helyettes, JSC "STC FGC UES"

T. V. Ryabin, vezérigazgató-helyettes, JSC "STC FGC UES";

D. V. Sorokin, Ph.D. tech. Sciences, az IES AAS, JSC "STC FGC UES" Rendszerkutatási és -fejlesztési központjának vezetője

A 21. század villamosenergia-iparának magas hatékonyságot kell biztosítania az energiatermelésben, -szállításban és -fogyasztásban. Ez a villamosenergia-rendszer szabályozhatóságával, valamint a környezet- és erőforrás-takarékos jellemzőkkel szembeni követelmények növelésével érhető el a villamosenergia-termelés és -elosztás minden szakaszában. A szupravezető technológiák alkalmazása lehetővé teszi, hogy az iparág minőségileg új szellemi működési szintjére lépjünk. A PJSC FGC UES K+F programot fogadott el, amely magában foglalja a váltó- és egyenáramú magas hőmérsékletű szupravezető kábelvonalak (a továbbiakban: HTSC CL) létrehozását 1 .

A világ legtöbb iparosodott országában intenzív kutatás és fejlesztés folyik új típusú, szupravezető alapú elektromos eszközök kifejlesztésére. Az utóbbi években különösen megnőtt az érdeklődés ezen fejlesztések iránt a magas hőmérsékletű szupravezetők (továbbiakban HTSC) felfedezése miatt, amelyek nem igényelnek bonyolult és drága hűtőberendezéseket.

A szupravezető kábelek bevezetésének kilátásai

Jelenleg a szupravezető kábelek jelentik a szupravezetés alkalmazásának legfejlettebb és legfejlettebb módszerét a villamosenergia-iparban. A szupravezető kábelek fő előnyei:

• nagy hatékonyság a szupravezető alacsony energiavesztesége miatt;
• a meglévő kábel cseréje nagyobb átviteli teljesítményű, azonos méretű kábelre;
• könnyű súly a kevesebb felhasznált anyag miatt;
• a kábel életciklusának növelése a szigetelés öregedési folyamatának lassítása következtében;
• alacsony impedancia és hosszú kritikus hossz;
• elektromágneses és termikus kóbor mezők hiánya, környezetbarát és tűzbiztonság;
• nagy teljesítmények átvitelének képessége viszonylag alacsony feszültségen.

Az egyen- és váltóáramú HTSC CL egy innovatív fejlesztés, amely lehetővé teszi az elektromos hálózatok problémáinak jelentős részének megoldását. A HTSC DC CL-ek használatakor azonban a vonal a hálózat ellenőrzött elemévé válik, amely szabályozza az átvitt energia áramlását az átvitel megfordításáig. A HTSC DC vonalak számos további előnnyel rendelkeznek az AC vonalakhoz képest:

• a rövidzárlati áramok korlátozása, amely lehetővé teszi az energiarendszer egyes szektorainak az alacsony oldalon történő összekapcsolását a rövidzárlati áramok növelése nélkül;
• a hálózat stabilitásának növelése és a lépcsőzetes fogyasztói leállások megelőzése az energiakörzetek kölcsönös redundanciája révén;
• az áramelosztás szabályozása párhuzamos vonalakban;
• energiaátvitel minimális veszteséggel a kábelben, és ennek eredményeként csökkentett követelmények a kriogén rendszerrel szemben;
• nem szinkronizált energiarendszerek kommunikációjának lehetősége.

Az elektromos hálózatokban lehetőség van HTSC AC és DC vonalak felhasználásával áramkör létrehozására. Mindkét rendszernek megvan a maga előnyben részesített alkalmazása, és végső soron a választást műszaki és gazdasági megfontolások egyaránt meghatározzák.

Szupravezető betétek a nagyvárosok alállomásai között

A nagyvárosok energiahálózatai dinamikusan fejlődő szerkezet, amely a következő jellemzőkkel rendelkezik:

• az energiafelhasználás gyors növekedése, amely jellemzően meghaladja a fogyasztásnövekedés országos átlagát;
• nagy energiasűrűség;
• energiahiányos területek jelenléte;
• az elektromos elosztó hálózatok nagyfokú elágazása, ami a fogyasztók tápvezetékeinek többszöri megkettőzésének szükségességéből adódik;
• az elektromos hálózat szakaszolása a rövidzárlati áramok csökkentése érdekében.

Mindezek a tényezők meghatározzák a városi agglomerációs hálózatok fő problémáit:

• magas szintű villamosenergia-veszteség az elosztó hálózatokban;
• a rövidzárlati áramok magas szintje, amelyek értéke bizonyos esetekben meghaladja a kapcsolóberendezések megszakítóképességét;
• alacsony szintű irányíthatóság.

Ugyanakkor a városban az alállomások terhelése nagyon egyenetlen. Az alállomási transzformátorok sok esetben csak 30-60%-ban vannak terhelve. Általános szabály, hogy a városi mélybemeneti alállomások külön nagyfeszültségű vezetékeken keresztül kapnak áramellátást. Az alállomások középfeszültségű oldalra történő csatlakoztatása kölcsönös redundanciát biztosíthat az energiakörzetek között, és szabad transzformátorkapacitást szabadíthat fel, ami végső soron a hálózat energiaveszteségének csökkenéséhez vezet. Ezen túlmenően az ilyen típusú csatlakozás lehetővé teszi, hogy a felszabaduló kapacitást további terhelések csatlakoztatására használják fel anélkül, hogy új transzformátorokat kellene üzembe helyezni, illetve új alállomásokat és vezetékeket kellene építeni.

Ha van betét (1. ábra), három transzformátor teljes mértékben biztosítja a villamos energiát a csatlakoztatott fogyasztóknak legfeljebb 80%-os terhelés mellett. A negyedik transzformátor és tápvezetéke üzemi tartalékba helyezhető, ami az energiaveszteség csökkenését eredményezi. További fogyasztók csatlakoztatására is használhatók. Egy ilyen betét hagyományos technológiákkal és szupravezető kábelvonalak felhasználásával is elkészíthető.

1. kép

A fő probléma egy ilyen séma megvalósítása során az a tény, hogy az alállomások közvetlen csatlakoztatása a rövidzárlati áram jelentős növekedéséhez vezet. Ez az áramkör csak akkor válik működőképessé, ha a betét két funkciót lát el: az erőátvitelt és a rövidzárlati áramok korlátozását. Következésképpen a nagy energiaáramok elosztófeszültségen történő továbbításakor a szupravezető vezetékeknek tagadhatatlan előnyei vannak.

A betét létrehozásának problémájának megoldása nagy kilátásokat ígér a nagyvárosok energiaellátó rendszereinek javítására. Jelenleg három nagy tudományos projektet valósítanak meg a világon azzal a céllal, hogy nagy teljesítményt középfeszültségen továbbítsanak két alállomás között, miközben egyidejűleg korlátozzák a rövidzárlati áramokat: a HYDRA projekt, New York, USA; AmpaCity projekt, Essen, Németország 2 ; projekt "Szentpétervár", Oroszország. Nézzük meg közelebbről az utolsó projektet.

Orosz HTSC DC CL

A szentpétervári projekt célja egy 50 MW-os szupravezető egyenáramú vezeték fejlesztése és telepítése két városi alállomás között a fogyasztók áramellátásának megbízhatóságának növelése és a rövidzárlati áram korlátozása érdekében az északi főváros városhálózatában. A projekt a „Központi” 330/20 kV-os alállomás és az RP 9 220/20 kV-os alállomás közötti kábelvezetékek kiépítését foglalja magában (2. ábra). A szupravezető egyenáramú vezeték köti majd össze a két alállomást a 20 kV-os középfeszültségű oldalon. A vezeték hossza 2500 m, az átvitt teljesítmény 50 MW. A szentpétervári projektben az erőátvitel és a rövidzárlati áramkorlátozás funkciói meg vannak osztva a kábel és az átalakítók között, ha megfelelően vannak konfigurálva. A szupravezető egyenáramú kábel, ellentétben a váltakozó áramú kábellel, nincs energiaveszteség, ami jelentősen csökkenti a kriogén berendezés energiaszükségletét. Ezzel a sémával azonban további energiaveszteség lép fel a konverterekben. Az egyenáramú vezeték a hálózat aktív eleme, és lehetővé teszi a szomszédos vezetékekben áramló energia szabályozását mind irány, mind átviteli teljesítmény tekintetében.

A projekt hatása az elektromos üzemmódokra

A "Centralnaya" 330 kV-os alállomás és a 220 kV-os RP 9 alállomás (a továbbiakban: Tsentralnaya/RP 9) energiakörzetében számos vészhelyzet utáni állapot adódhat az elektromos vezetékek vészleállása miatt, és zavarokkal járhat együtt. a fogyasztók áramellátása (az energiakörzetek elkülönített terhelésekhez való hozzárendelése).

A számítások azt mutatták, hogy az áramellátást a fogyasztók számára fenntartani egy váltakozó áramú távvezeték (hagyományos kábel vagy légvezeték) Central/RP 9 kiépítésével és üzembe helyezésével lehetetlen, mivel ez növeli a vészhelyzet utáni állapotok súlyosságát. Ez elkerülhető a vezérelt egyenáramú átvitel HTSC DC CL-ekkel történő üzembe helyezésével.

Az egyenáramú HTSC CL-ek teljesítményáramlásának nagyságának és irányának szabályozása lehetővé teszi a következőket is:

• az elektromos hálózatok aktív teljesítményveszteségének csökkentése (a tranzitenergia-áramlások újraelosztása és megszüntetése miatt);
• új fogyasztók bekötése a meglévő elektromos hálózati infrastruktúra alapján (az energiaáramlások újraelosztásával és az elektromos hálózatok jelenlegi túlterhelésének megszüntetésével a villamosenergia-rendszerek normál üzemi és vészhelyzeti üzemmódjában).

A projekt hatása a rövidzárlati áramok szintjére

Rövidzárlati áramszámításokat végeztünk 3 hagyományos AC kábelvonal, valamint HTSC DC kábelvonalak áramkörbe történő bevezetése esetén. A számítási eredmények (1. táblázat) alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy a Central/RP 9 AC kábelvonal bevonása Szentpétervár áramellátási sémájába a zárlati áram értékének növekedéséhez vezet a 1. táblázat felett. a kapcsolók névleges kioldási áramának szintje. Ez azt jelenti, hogy az alállomásokon további áramkorlátozó intézkedéseket kell bevezetni, vagy ki kell cserélni a kapcsolóberendezéseket. A DC HSTP kábelvonalak használata (3. táblázat) nem vezet a rövidzárlati áramok növekedéséhez az energiarendszerben.

Asztal 1 A rövidzárlati áramok számításának eredményei

Megnevezések: én 3 – háromfázisú rövidzárlati áram; én 1 – egyfázisú zárlati áram; én off – a kapcsolók névleges kapcsolási árama (az alállomási kapcsolók 2014-es szintű állapota alapján elfogadva).

Szupravezető vonalak energiaveszteségének becslése

A közepes feszültségű váltóáramú vezetékekben az elektromos energia vesztesége magában a kábelben, az elektromos szigetelésben és az árambemenetekben jelentkezik. Egyenáramú vezetékben nincs energiaveszteség a kábelben és a szigetelésben, viszont az átalakító eszközökben és az árambemenetekben vannak. Ezen túlmenően a kriogén rendszer elektromos áramot fogyaszt, hogy kompenzálja a hideg zónába beáramló összes hőt, és hogy a hűtőközeget szivattyúzza a teljes útvonalon.

100 MVA átvitt teljesítményű háromfázisú, középfeszültségű váltakozó áramú vezetéknél a fázisonkénti energiaveszteség a következő értékek összege:

• elektromágneses veszteségek a kábelmagban – 1,0–1,5 W/m;
• hőbeáramlás a kriosztáton keresztül – 1,5 W/m;
• hőbeáramlás az áramvezetékeken – (200–300 W) x 2;
• A szigetelés energiavesztesége körülbelül 0,1 W/m.

A háromfázisú, 10 km-es vezetékhosszúságú hidegzónába beáramló összes hőmennyiség 78,5-93,5 kW lesz. Ha ezt az értéket megszorozzuk egy tipikus 20-as hűtési együtthatóval, az 1,57–1,87 MVA, vagyis az átvitt teljesítmény kevesebb, mint 2%-a.

Hasonló egyenáramú vezetéknél a hideg zónába irányuló hőáramlást csak a kriosztáton és az áramvezetékeken keresztüli hőáramlás korlátozza. Ekkor a teljes energiaveszteség egy 10 km-es kábelben a kriogén rendszert is figyelembe véve 0,31 MVA, vagyis az átvitt teljesítmény 0,31%-a lesz.

Az egyenáramú vezeték teljes veszteségének becsléséhez hozzá kell adni az átalakítók veszteségeit - az átvitt teljesítmény 2% -át. A 10 km hosszú DC HTSC kábelvonal végső vesztesége 100 MW átvitt teljesítmény esetén a becslések szerint nem haladja meg az átvitt teljesítmény 2,5%-át.

A fenti becslések azt mutatják, hogy a szupravezető kábelvonalakban az energiaveszteség lényegesen kisebb, mint a hagyományos kábelvonalakban. Az átvitt teljesítmény növekedésével az energiaveszteségek százalékos aránya csökken. A mai anyagteljesítmény mellett 20 kV-on 150-300 MW, 110 kV-on 1000 MW energiaátvitel lehetséges.

Megvalósítási lehetőségek

Az egyen- és váltóáramú HTSC CL-ek sikeres tesztjei igazolták a szupravezető vonalak nagy hatékonyságát.

A szupravezető kábelvonalak egyik fő előnye, hogy nagy energiaáramokat (több száz megawatt) tudnak továbbítani elosztófeszültségen. Célszerű ezeket az új lehetőségeket figyelembe venni és kihasználni a hálózati létesítmények tervezése vagy radikális rekonstrukciója során.

Például Új-Moszkva energiarendszerének rekonstrukciója/létrehozásakor célszerű lenne gondoskodni hosszanti erős szupravezető vezetékek kialakításáról, és több nagy teljesítményű alállomást egy gyűrűs szerkezetbe kötni szupravezető egyenáramú vezetékekkel a középfeszültségű oldalon. Ez jelentősen javítja a hálózat energiahatékonyságát, csökkenti a bázisállomások számát, biztosítja az energiaáramlások nagyfokú szabályozhatóságát, és végső soron növeli a fogyasztók energiaellátásának megbízhatóságát. Egy ilyen hálózat a jövő intelligens hálózatának valódi prototípusává válhat.

Irodalom

1. Glebov I. A., Chernoplekov N. A., Altov V. A. Szupravezető technológiák - az elektrotechnika és az energia fejlődésének új szakasza // Szupravezetés: kutatás és fejlesztés. 2002. 41. sz.
2. Sytnikov V. E. Szupravezető kábelek és felhasználásuk kilátásai a 21. századi energiarendszerekben // Szupravezetés: kutatás és fejlesztés. 2011. 15. sz.
3. EPRI. Szupravezető teljesítményű berendezések technológiai óra 2012. Palo Alto, CA, USA, 2012.
4. Stemmle M., Merschel R., Noe M. Physics Procedia 36 (2012).
5. Sytnikov V. E., Kopylov S. I., Shakaryan Yu G., Krivetsky I. V. HTSC egyenáramú átvitel, mint a nagyvárosok „intelligens hálózatának” eleme. Az Alkalmazott Szupravezetés I. Országos Konferenciájának anyaga. M.: Nemzeti Kutatóközpont "Kurchatov Intézet", 2013.
6. Kopylov S., Sytnikov V., Bemert S. et. al. // Fizikai folyóirat.: Konferencia. Sorozat. 2014. V. 507. P. 032047.
7. Volkov E. P., Vysotsky V. S., Karpyshev A. V., Kostyuk V. V., Sytnikov V. E., Firsov V. P. Az első szupravezető kábel létrehozása Oroszországban a magas hőmérsékletű szupravezetés jelenségével. Az Orosz Tudományos Akadémia cikkgyűjteménye „Innovatív technológiák az energiaszektorban”, szerk. E. P. Volkov és V. V. Kostyuk. M.: Nauka, 2010.

1 A cikk a teszteredményekre és a HTSC egyenáramú kábelvonalak villamosenergia-iparban való széles körű bevezetésének kilátásaira összpontosít.

2 1. HYDRA Project, New York, USA. A projekt célja egy szupravezető AC kábelvonal kifejlesztése és telepítése két New York-i városi alállomás között. A vezetéknek nagy teljesítményű (96 MVA) kommunikációt kell biztosítania a transzformátorok szekunder oldalán (13,8 kV) lévő alállomások között. A kábelrendszer képes lesz korlátozni a rövidzárlati áramot a második generációs HTSC szalagok normál vezető állapotba való gyors átállása miatt. Ez biztosítja az alacsony vezetékellenállás értékét névleges üzemmódban (a vezeték szupravezető állapota), valamint az áram túlterhelése esetén a nagy ellenállási állapotba való átmenetet.
A HYDRA projekt a nagy teljesítményű átviteli és áramkorlátozó funkciókat egyetlen eszközben – egy speciálisan kialakított szupravezető kábelben – egyesíti. Ez rendkívül megnehezíti a kábel optimalizálását a lehetséges hálózati feltételek, hűtési feltételek és a kábelek elrendezése alapján. Ezen túlmenően az egyik projektre kidolgozott műszaki megoldások nem reprodukálhatók másokhoz az eltérő üzemi és fektetési feltételek, így a kábel hűtési feltételei miatt, amelynek időszakonként át kell térnie a szupravezető állapotból a normál vezető állapotba.
2. AmpaCity projekt, Essen, Németország. A projekt célja egy 40 MVA teljesítményű szupravezető váltakozó áramú átvitel fejlesztése és telepítése két városi alállomás között. Az átvitel egy 1000 m hosszú szupravezető kábelből és egy sorba kapcsolt 10 kV-os áramkorlátozóból áll. Ez az átvitel köti össze a két 110/10 kV-os Herkules és Dellbrugge alállomást Essen városközpontjában. A projekt megvalósítása lehetővé teszi egy 40 MVA-s transzformátor és egy 110 kV-os vezeték leszerelését.
Az AmpaCity projektben az áramátvitel és a rövidzárlati áramkorlátozás funkciói meg vannak osztva a kábel és az áramkorlátozó között. Ez leegyszerűsíti az egyes eszközök tervezési feladatát, és lehetővé teszi a kábel magas fokú stabilizálással történő gyártását, ami a HYDRA projektben nem lehetséges. Természetesen szükség van a kábel és az áramkorlátozó jellemzőinek összehangolására, de ez nem nehéz feladat, és a projekt megvalósítása során kidolgozott műszaki megoldások megismételhetők más, hasonló paraméterű vonalak fejlesztésekor.

3 A számításokat Szentpétervár és a Leningrádi régió energiarendszerének 2020-ra vonatkozó távlati sémájának alkalmazása alapján végeztük.