Tehniskās zinātnes

UDK 537.312.62:620.018.45

HTSC KERAMIKAS RAŽOŠANAS METODES UN ĪPAŠĪBAS UZ ULTRAFĪNU PULVERIEM

O.L. Hasanovs

Tomskas Politehniskās universitātes e-pasts: [aizsargāts ar e-pastu]

Aprakstīti tehnoloģiju izstrādes rezultāti augstas temperatūras supravadošas keramikas ražošanai uz īpaši smalku pulveru bāzes, tostarp sausās blīvēšanas metodes spēcīgas ultraskaņas ietekmē. Pamatots optimālos apstākļos HTSC pulvera sintēzes un keramikas saķepināšanas procesi. Tiek sniegti dati par elektromagnētiskā lauka ekrānu, tilpuma mikroviļņu rezonatoru un no HTSC keramikas izgatavotu keramikas SQUID paraugu veiktspējas īpašībām.

Ievads

Starp mūsdienu keramikas materiāliem īpašu vietu ieņem augstas temperatūras supravadītāja (HTSC) keramika. Supravadītspējas fenomenu temperatūrā virs 30 K 1986. gadā eksperimentāli atklāja J. Bednorcs un K. Millers lantāna kuprātu saimē Ba-La-Cu-O, un drīz vien kritiskās supravadīšanas pārejas temperatūras Tc tika sasniegtas virs šķidruma viršanas temperatūras. slāpeklis (77 TO). Pārvarot šo slieksni, radās aizraujošas perspektīvas HTSC praktiskai pielietošanai elektronikā, sakaru tehnoloģijās un precizitātes mērījumos, enerģētikā, elektrotehnikā, transportā un citās jomās.

Tāpēc pētījumi attīstījās ne tikai fundamentālā virzienā, bet arī lietišķajā aspektā. Galvenā problēma bija tehnoloģiju izstrāde, kas ļauj izgatavot nepieciešamos izstrādājumus no tādiem trausliem keramikas materiāliem kā sarežģīti kuprāti: vadi un kabeļi, induktori, tilpuma rezonatori utt. Daudzos gadījumos, kad tiek izmantotas vājstrāvas (elektronika, sensori), plēvju tehnoloģiju izmantošana uz HTSC plēvēm balstītu konstrukciju ražošanā ir bijusi efektīva. Tomēr “augststrāvas” lietojumiem (enerģētikā, transportā, akseleratora tehnoloģijās u.c.) joprojām aktuāla ir tehnoloģiju izstrāde beztaras keramikas HTSC materiālu ražošanai ar augstu strāvas nestspēju un stabilām īpašībām.

Šajā rakstā ir sniegti galvenie pētījuma rezultāti par YBa2Cu3O7_x saimes HTSC keramikas ražošanas metožu izstrādi un īpašību pētīšanu. Darba mērķis bija izstrādāt metodes HTSC fāzes ultrasmalkā pulvera (UDP) sintēzei, tā blīvēšanai un vienfāzes supravadošas keramikas ar augstiem kritiskajiem raksturlielumiem saķepināšanai.

Cietā fāze un pašvairošanās

HTSC sintēze augstā temperatūrā

Supravadošās ortorombiskās fāzes sintēze 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.

Kā zināms, cietās fāzes sintēze ir difūzijas process. Tās norises un sintēzes termodinamisko apstākļu analīze parādīja, ka tad, kad 1-2-3 fāzes sintēzes temperatūra tiek pazemināta zem labi zināmajiem 950 °C, tiek novērota ne-supravadošas 2-fāzes veidošanās iespējamība. 1-1 tiek samazināts, tiek novērsta radušos 1-2-3 fāzes graudu nevēlamā sintēzes stadija. Šādi nosacījumi tiek sasniegti, izmantojot visus reaģentus vai vienu no tiem UDP formā. Parādīts, ka sākotnējā lādiņā ultradispersā stāvoklī pietiek izmantot tikai varu. Sastāva 1-2-3 maisījumā, izmantojot UDP

Cu, sintēzes temperatūra samazinās līdz 920 ° C, un HTSC fāzes veidošanās ilgums samazinās par 12 stundām, kas ir saistīts ar kodolu skaita palielināšanos ģeometriskā faktora dēļ - lielāks skaits un laukums. kontakti starp Cu UDP un lielākām U2O3 un BaCO3 daļiņām. Fāzu veidošanās kinētikas pastiprināšanās ir saistīta ar submikronu vara daļiņu (kurām lādiņā ir maksimālais stehiometriskais saturs) vielas difūzijas koeficienta palielināšanās reaģentu saskarnē to virsmas aktivitātes, defektivitātes un termodinamiskās metastabilitātes dēļ. struktūras, kā arī efektīva sintēzes starpfāžu graudu atdalīšanās no lielākām reaģentu daļiņām starpgranulu spriegumu ietekmē. Rezultātā tiek sintezēts vienfāzes UDP HTSC UVa2Cu307-x ar vidējo daļiņu izmēru 0,4...0,7 μm, supravadošās pārejas kritisko temperatūru Tc = 95 K un šīs pārejas platumu Tc = 1 K.

HTSC fāžu sintēzi var veikt ne tikai ar cietās fāzes reakcijām, bet arī ar pašvairojošās augstas temperatūras sintēzes (SHS) metodi, kad sintēzes reakcija tiek veikta slāņa slāņa rezultātā. reaģentu maisījuma pašsasilšana eksotermiskā termiskā efekta dēļ.

UVa2Cu307-x savienojuma veidošanās ar šādu eksotermisku efektu ir iespējama ar reakciju:

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

kur BaO2, O2 ir oksidētāji; Cu ir metālisks neoksidēts vara reducētājs.

UDP Cu izmantošana pastiprina sintēzes reakciju un palielina tā termisko efektu O (nosakot reakcijas pašpietiekamību lādiņā), pateicoties īpaši smalko daļiņu augstajai uzkrātajai enerģijai.

Lai noteiktu SHS sistēmas modeļus 1-2-3, izmantojot UDP Si nami

tika veikti procesa pētījumi skābekļa plūsmā un gaisā, iespēja regulēt degšanas temperatūru, ieviešot papildu oksidētāju, sākotnējā lādiņa sablīvēšanās pakāpe un parauga ģeometrijas izvēle. Šajos pētījumos uzdevums bija noteikt apstākļus, kādos degšanas temperatūra atrodas 900,970 °C robežās, t.i. atbilst HTSC fāzes 1-2-3 sintēzes un saķepināšanas temperatūrai.

No homogenizēta sākotnējo komponentu maisījuma ar sausu statisku vienpusēju presēšanu pie presēšanas spiediena P no 50 līdz 350 MPa tika izveidoti dažāda diametra Br (7, 10, 14 un 18 mm) kompakti ar 3 mm augstumu.

Degšanas vilnis kompaktos tika ierosināts divos veidos: ātri uzsildot visu kompaktu speciāli izgatavotā cauruļveida krāsnī līdz 800 °C un izmantojot elektrisko spirāli, kas uzsildīja kompakta virsmu līdz 750 °C. Abos gadījumos uzreiz pēc SHS Meisnera efekts paraugos netika novērots, un HTSC fāzes veidošanai bija nepieciešama papildu atkausēšana 950 °C temperatūrā Acīmredzot pētāmās ģeometrijas kompaktiem notiek sadegšana būtībā ne-adiabātisks režīms, kas neatbilst termodinamiskajiem apstākļiem HTSC fāzes veidošanai.

Paraugiem pēc SHS pirms atkausēšanas veiktā rentgena fāzes analīze uzrādīja fāzes U4Ba3O9, BaCuO2, tetragonālo fāzi 1-2-3, nereaģējušu Cu0, Cu, Y2O3, kā arī nelielu daudzumu ortorombiskās fāzes. 1-2-3. HTSC fāzes Csp saturs palielinājās līdz 40% pēc atkausēšanas 950 ° C temperatūrā 2 stundas un līdz 50, 60% pēc atkausēšanas 950 ° C temperatūrā 6 stundas.

Meisnera efekta x vērtības, kas korelē ar HTSC fāzes saturu paraugos atkarībā no lādiņa presēšanas spiediena pirms SHS uzsākšanas un paraugu ģeometrijas, ir parādītas attēlā. 1.

Vai = 14 mmu \ P = 18 mm m

■■ 1- -1-*-1-

Rīsi. 1. Meisnera efekta lielums HTSC kompaktos, kas sintezēti ar SHS metodi un atkvēlināti 950 C temperatūrā 2 stundas (a), un pēc tam 6 stundas (b) - atkarībā no presēšanas spiediena P

UDP HTSC sausā presēšana reibumā

ultraskaņa

Visos HTSC keramikas ražošanas tehnoloģiskajos posmos ir jāņem vērā ortorombiskās HTSC 1-2-3 fāzes metastabilitāte un tā augstā jutība pret skābekļa saturu un ūdens tvaiku klātbūtni. Šajā sakarā aktuāli ir izstrādāt metodes cietā HTSC pulvera, īpaši ļoti dispersā (sintezēta no UDP vara) sablīvēšanai, neizmantojot saistvielas un plastifikatorus. Tāpēc mēs izmantojām HTSC pulvera sausās presēšanas metodi ultraskaņas ietekmē (USV), ko piemēro perpendikulāri presēšanas spēkam.

Šo pētījumu mērķis bija izpētīt saķepināšanas temperatūras ietekmi uz HTSC keramikas blīvumu, kas ražota, izmantojot UDP Cu un standarta tehnoloģiju, presēta dažādos ultraskaņas apstrādes režīmos.

Paraugi tika presēti tabletēs ar diametru 11,2 mm gan ultraskaņas ietekmē, gan statiskā režīmā. USV intensitāte tika iestatīta ar ASV ģeneratora un USV izejas spriegumu līdz 50, 75 un 100 V, kas atbilda veidnes sienas vibrācijas amplitūdām AUZV = 5, 10 un 15 µm pie frekvences 21,5 kHz. Saķepināšana tika veikta zemās temperatūrās: 890 °C (paraugiem ar UDP varu) un 950 °C (paraugiem no standarta reaģentiem) 48 stundas. Eksperimenta rezultāti ir parādīti attēlā. 2.

Visiem presēšanas režīmiem blīvākā keramika tika saķepināta no lādiņa ar UDP Cu (vērtības 1, 2, 3 2. attēlā, b), lai gan blīvumu blīvums bija nemonotoniski atkarīgs gan no lādiņa veida, gan no lādiņa veida. P un USV vērtības. Paraugiem ar UDP ultraskaņas presēšana pētītajā diapazonā un USV praktiski neietekmēja keramikas blīvumu (vērtības 1, 2, 2. att., b). Acīmredzot ļoti izkliedētam HTSC pulverim, kas sintezēts no UDP, submikronu daļiņu izmēri ir ievērojami mazāki par AUZV matricas vibrācijas amplitūdu = 5, 10 un 15 μm, un skaņa iziet cauri cietā HTSC pulvera blīvēšanai, neizraisot vibrācijas nobīdi. daļiņas.

Tikai pie P = 907 MPa un USV = 75 V (2. līkne, 2. att., a) tika novērota blīvējuma blīvuma samazināšanās - pulvera aglomerācijas dēļ noteiktas amplitūdas vibrācijas ultraskaņas ietekmē. Pēc saķepināšanas šo paraugu blīvums sasniedza citu UDP paraugu blīvumu, kas presēti pie 907 MPa (2. līkne, 2. att., b), kas liecina par aktivācijas ultraskaņas efektu uz presētā pulvera daļiņām.

No standarta reaģentiem izgatavotās keramikas blīvums pasliktinājās pēc ultraskaņas presēšanas ar ultraskaņas presēšanu = 50 V un uzlabojās ar ultraskaņas presēšanu = 75 V, 100 V, salīdzinot ar statisko presēšanu (5. līkne, 2. att., b). Rupji izkliedētam HTSC lādiņam pētītajos USV režīmos izpaudās kvazirezonanses vibrācijas amplitūdas sakritības efekti ar daļiņu vai aglomerātu izmēriem, kas atspoguļojās kompakto un saķepinātās keramikas blīvuma palielināšanās pie USV = 10 un 15. μm (USV = 75 un 100 V - līknes 5 2. attēlā).

Pateicoties zemajām saķepināšanas temperatūrām (890 °C paraugiem no UDP un 950 °C paraugiem, kas izgatavoti no standarta reaģentiem), HTSC keramikas blīvums šajos eksperimentos nepārsniedza 5,45 g/cm3 – 86% no teorētiskā blīvuma. Pēc UDP HTSC sausās presēšanas un saķepināšanas režīmu optimizācijas keramikas blīvums sasniedza 6 g/cm3 (skat. 1. tabulu).

Keramikas HTSC izstrādājumu elektriskās īpašības būtiski ietekmē anizotropās supravadošās fāzes graudu lielums un to tekstūra. Parastās termiskās apstrādes laikā šajā HTSC saķepināšanas stadijā nav izteiktas graudu augšanas anizotropijas. Tomēr virziena deformācija, kas rodas perovskītam līdzīgās fāzes 1-2-3 anizotropo graudu vienpusējas sausās presēšanas laikā, rada noteiktu vēlamo virzienu, un sistēma pārstāj būt izotropiska. Perpendikulāri presēšanas spēka virzienam saķepināšanas procesā notiek orientēta graudu augšana, t.i. veidojas tekstūra. Ja vienpusējās sausās sablīvēšanas procesā HTSC kompaktu ilgstoši (10...20 stundas) tur zem spiediena (t.i., tajā veidojas vienmērīgs spriegums un deformācijas virziens),

Rīsi. 2. Blīvumu pp (a) un saķepinātās HTSC keramikas pc (b) blīvums atkarībā no ultraskaņas apstrādes intensitātes un UDP HTSC presēšanas spiediena: 1) 746 MPa; 2) 907 MPa; 3) 1069 MPa; un lādiņš no standarta reaģentiem: 4) 746 MPa; 5) 907 MPa

cijas), tad rekristalizācijas procesā graudu augšanai tiks izvēlēts šis virziens. Perovskītam līdzīgās fāzes 1-2-3 anizotropie graudi, kuros supravadošās CuO2 plaknes ir perpendikulāras nospiešanas spēka virzienam, pārsvarā pieaugs virzienos pa šīm plaknēm (gar deformācijas spēku) un sasniegs ievērojamus izmērus (vairāk par 10 μm). Sakarā ar vielu difūzijas plūsmu pārdali pa šiem virzieniem, graudu augšana tiek kavēta visos citos virzienos. Tā attīstās HTSC keramikas teksturēšanas process. Attēlā 3. attēlā parādīta teksturētās keramikas 1-2-3 mikrostruktūra, kas saķepināta noteiktos apstākļos (skenējošās elektronu mikroskopijas dati ar Philips SEM-15 mikroanalizatoru tika iegūti ar V.N. Lisetska palīdzību).

Mūsu pētījumi ir parādījuši, ka tekstūras veidošanās keramikas 1-2-3 saķepināšanas laikā no UDP sintezēta HTSC optimāli notiek pie vienpuses sausās presēšanas spiediena virs 300 MPa, presēšanas ilgums pie šādas slodzes ir vairāk nekā 10 stundas un saķepināšana. temperatūra 950...975 ° AR.

HTSC keramikas elektrofizikālās īpašības

un izstrādātos produktus

Mēs pārbaudījām HTSC keramikas paraugu supravadīšanas un citas fizikālās īpašības un izstrādājām produktus (HTSC SQUIDS, elektromagnētisko lauku ekrānus, tilpuma rezonatorus) uz kalibrētām instalācijām, izmantojot induktīvo metodi (Тс; ATC), 4 kontaktu metodi (Тс; ATC). kritiskā strāva jc ), kā arī uz specializētām iekārtām Neitronu fizikas laboratorijā JINR (Dubna); MIREA Mikroviļņu radiotehnikas laboratorijā (Maskava); TPU Kodolfizikas pētniecības institūtā, Pusvadītāju ierīču pētniecības institūtā, TSU Sibīrijas Fizikas un tehnoloģiju institūtā, KB "Projekts" (Tomska). Tabulā 1, attēlā. 4

Tiek prezentēti HTSC keramikas paraugu parametru mērīšanas rezultāti, kas ražoti, izmantojot iepriekš aprakstīto tehnoloģiju.

Apjomīgo mikroviļņu rezonatoru un keramikas 1-2-3 elektromagnētisko lauku HTSC ekrānu paraugi dobu cilindru veidā ar diametru 50 mm, augstumu 40 mm ar sieniņu biezumu 4 mm, kopā ar gala diskiem ar diametrs 50 mm un biezums 4 mm, tika ražoti, izmantojot tehnoloģiju ar UDP Si. HTSC keramikas blīvums bija 5,5 g/cm3, kritiskā temperatūra Tc = 88 K. Šādu rezonatoru kvalitātes koeficients, mērot šķidrā hēlija temperatūrā T = 4,2 K, bija O = 2700 pie frekvences / = 10 GHz (R = 3 cm ), disku virsmas pretestība tādos pašos apstākļos ir -0,04 omi (mērījumus TPU Kodolfizikas zinātniski pētnieciskā institūta 46. laboratorijā veica G.M. Samoilenko).

1. tabula. HTSC keramikas paraugu elektrofizikālās īpašības

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

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

Keramika 1-2-3 no standarta reaģentiem 5,2...5,5 40,50 90 1,5 90

Vidējais graudu izmērs pēc optiskās un skenējošās elektronu mikroskopijas;

**]с - kritiskais strāvas blīvums, kas noteikts ar 4 zondes metodi (77 K, 0 T);

th - pulētu keramikas paraugu kvalitātes koeficients frekvencē / = 3 GHz (2A / = 20 MHz) istabas temperatūrā (skaitītājā) un 77 K temperatūrā (saucējā), mērīts Mikroviļņu radiotehnikas laboratorijā MIREA O.M. Oleiniks;

O2 ir to pašu paraugu kvalitātes faktors, kas izmērīts tādos pašos apstākļos gadu vēlāk, un tas norāda uz keramikas degradācijas izturību.

Rīsi. 3. Teksturētas HTSC keramikas 1-2-3 SEM attēls, kas saķepināts no UDP pēc iepriekšējas slodzes presēšanas laikā, un rentgena fāzes analīzes joslu diagramma (CoKa starojums)

Rīsi. 4. Supravadīšanas pārejas līknes HTSC keramikai, kas ražota, izmantojot UDP Cu: 1, 2) sausā statiskā presēšana, saķepināšana attiecīgi 920 un 950 °C temperatūrā (Tc_ mērījumus FLNP JINR veica V.N. Poluškins); 3) Ultraskaņas presēšana, saķepināšana 950 C temperatūrā (T mērījumus LSVChR MIREA veica A.A. Bušs)

To pašu cilindrisko paraugu testi kā elektromagnētisko lauku ekrāni tika veikti PP Pētniecības institūtā (Yu.V. Lilenko) un SPTI TSU (A.P. Ryabtsev).

Rīsi. 5. HTSC cilindra ekranēšanas īpašības

Rīsi. 6. VPC histerēze HTSC cilindra supravadītājā stāvoklī (T=77K)

Tika izmantots paņēmiens, lai izmērītu IC spriegumu uz uztverošās (ārējās) induktora spoles, kas atrodas ārpus HTSC cilindra, kamēr testa strāva, ko es izlaidu caur ģenerēšanas (iekšējo) spoli, kas novietota dobā HTSC cilindra iekšpusē. Atkarības Пс = /(I) tika ņemtas ekrāna supravadītājā stāvoklī (7 = 77 K) un normālā stāvoklī (pie 293 K) - att. 5. Ekranēšanas koeficients pie 7=77 K

10 kHz frekvencē vērtība bija £>100. HTSC ekrāna sprieguma lauka raksturlīknes (VFC) histerēze pie 77 K, atšķirībā no konstantes pie 300 K (6. att.), norāda arī uz pētāmā produkta diamagnētiskajām īpašībām (strāva caur paraugu 1 m = 1,3 mA; / = 10 kHz).

Supravadoša kvantu traucējumu sensora (SQUID) jutīgumu raksturo parametrs:

in = 2 ■1 -ft

Šeit b ~ 10-9,10-10 H ir kvantēšanas ķēdes induktivitāte keramikas SQUIDS, kas parasti ir caurums ar diametru 0,5-1,0 mm; 1C - kritiskā strāva caur Džozefsona krustojumu (JJ); Ф0=2,07-10-15 V - magnētiskās plūsmas kvants. Attiecībā uz HTSC SQUID vērtības β = 1,2 faktiski ir sasniedzamas. Tāpēc I vērtībai jābūt 1,10 mA. HTSC keramikai tika iegūtas kritiskās strāvas blīvuma vērtības: Х=1/$=10...103 A/cm2 = 0,1,10 μA/μm2 pie darba temperatūras 78 K (κ ir šķērsgriezuma laukums no HTSC keramikas). No tā izriet, ka DP šķērsgriezuma laukumam SQUID jābūt robežās

0.1.100.µm2, t.i. DP raksturīgajiem izmēriem jābūt 0,3,10 mikroniem. Šis nosacījums norāda HTSC keramikas vidējo graudu izmēru. Lai Cimmermaņa tipa keramikas HTSC kalmāru ražošanas laikā no norādīto izmēru graudiem veidotu DP HTSC keramikā, izmantojām iepriekš aprakstītās cietfāzes sintēzes un sausās presēšanas metodes. DP tika izveidots HTSC tabletē starp diviem caurumiem blīvas teksturētas HTSC keramikas formēšanas un saķepināšanas procesā ar blīvumu 5, 7–6, 0 g / cm3 ar graudu izmēriem tekstūras plaknē 10, 20 μm. Pēc tam, mehāniski rakstot ar kontroli optiskā mikroskopā un pēc tam termiski apstrādājot skābekļa plūsmā, tika sasniegts nepieciešamais DP biezums ~ 10 μm. SQUID jutība pret ārējo magnētisko lauku sasniedza vērtības 1,2 μV/Fo.

Tādējādi, pamatojoties uz darba rezultātiem, tika izdarīti šādi secinājumi:

1. Dabiskos apstākļos gan 1-2-3 sastāva tilpuma lādiņa, gan kompakto SHS neizraisa HTSC fāzes veidošanos, kuras sintēzei nepieciešama papildu atkausēšana 950 °C temperatūrā.

2. SHS ierosināšana gaisā ar elektrisku impulsu no pētāmās ģeometrijas kompaktu virsmas novērojama tikai lādiņam ar UDP Cu; rupjā vara izmantošana šajā gadījumā nenodrošina reakcijai nepieciešamo termisko efektu.

3. HTSC fāzes veidošanai ar SHS metodi nepieciešami ne sliktākas kvalitātes reaģenti par analītisko tīrību (galvenokārt oksidētājs Ba02).

4. Pētītajā ģeometrisko izmēru diapazonā SHS HTSC optimālais formas koeficients ir Нр/Вр = 3/\4, presēšanas spiediens >150 MPa. Šajos apstākļos keramikas blīvums sasniedza 4,6 g/cm3, HTSC fāzes saturs bija 54%, T = 86 K, AT = 5 K.

5. Sausā presēšana ultraskaņas ietekmē ir efektīva rupji izkliedētam HTSC lādiņam pie AUZV matricas svārstību amplitūdas = 10 un 15 μm, kad parādās kvazirezonanses efekti, kad svārstību amplitūda sakrīt ar daļiņu vai aglomerātu izmēru.

6. Tekstūras veidošanās keramikas 1-2-3 saķepināšanas laikā no sintezētā UDP HTSC notiek optimāli pie vienass sausās presēšanas spiediena virs 300 MPa, presēšanas ilgums pie š.

slodze vairāk nekā 10 stundas un saķepināšanas temperatūra 950...975 °C.

7. UDP HTSC cietfāzes sintēzes un sausās blīvēšanas tehnoloģija ir efektīva blīvas tekstūras HTSC keramikas ar augstiem kritiskajiem parametriem saķepināšanai un HTSC izstrādājumu ražošanai no tās: elektromagnētisko lauku ekrāni, rezonatori, SQUIDS.

Ultraskaņas presēšanas apstākļu analīzes darbu atbalstīja Krievijas Pamatpētījumu fonds, grants 01-03-32360.

BIBLIOGRĀFIJA

1. Tretjakovs Ju.D., Gudilins E.A. Metāla oksīda supravadītāju iegūšanas ķīmiskie principi // Ķīmijas sasniegumi. - 2000. - T. 69. - Nr.1. - P. 3-40.

2. Didenko A.N., Poholkovs Ju.P., Hasanovs O.L. un citi. Ultrasmalku pulveru pielietojums supravadošās keramikas U-Ba-Cu-O sintēzē // Augstas temperatūras supravadošu materiālu fizikālķīmija un tehnoloģija. - M.: Nauka, 1989. - P. 133-134.

3. Poholkovs Ju.P., Hasanovs O.L. Augsta blīvuma teksturētas HTSC keramikas, kuras pamatā ir īpaši smalki pulveri, sintēze un īpašību izpēte // In: Augstas temperatūras supravadītspēja. - Tomska: RSFSR RSTP zinātniskā padome "VTSP". - 1990. - 28.-34.lpp.

4. Pat. 1829811 Krievijas Federācija. MKI N01b 39/14. Augstas temperatūras supravadītāja UBa2Ci3O7-x / O.L monofāzes augsti dispersa pulvera iegūšanas metode. Hasanovs, G.F. Ivanovs, Ju.P. Poholkovs, G.G. Saveļjevs. No 03.23.94.

5. Poholkovs Ju.P., Hasanovs O.L., Sokolovs V.M. un citas ultradispersās tehnoloģijas iezīmes augstas temperatūras supravadošas keramikas ražošanai // Elektrotehnika. - 1996. - Nr.11. - P. 21-25.

6. Meržanovs A.G., Peresada A.G., Nersisjans M.D. un citi // JETP vēstules. - 1988. - T. 8. - Izdevums. 11. - 604.-605.lpp.

7. Hasanovs O.L., Sokolovs V.M., Poholkovs Ju.P. uc Ziņot II Starptautiskais. konf. - Harkova: NASU Single Crystals Institute, 1995. - 149. lpp.

8. Hasanovs O.L., Sokolovs V.M., Dvilis E.S. un citi Ultraskaņas tehnoloģija strukturālās un funkcionālās nanokeramikas ražošanai // Perspektīvie materiāli. - 2002. - Nr.1. - P. 76-83.

9. Pokholkovs Yu.P., Hasanovs O.L., Roitman M.S. un citi Keramisko HTSC kalmāru ražošanas tehnoloģijas un uz tiem balstīta pamata magnetometra izstrāde // Conversion in instrument make: Proc. Ziņot zinātniski tehniskais seminārs. - Tomska: TPU, 1994. - 32. lpp.

UDK 621.039.33:541.183.12

IZOTOPU UN JONU AR LĪDĪGĀM ĪPAŠĪBĀM ATDALĪŠANĀS APMAIŅAS PROCESOS AR FĀZES PLŪSMAS ELEKTROĶĪMISKO INVERCIJU

A.P. Vergun, I.A. Tihomirovs, L.I. Dorofejeva

Tomskas Politehniskās universitātes e-pasts: [aizsargāts ar e-pastu]

Tiek prezentēti teorētisko un eksperimentālo pētījumu rezultāti par izotopu un jonu apmaiņas atdalīšanu. Fāzu plūsmu maiņa apmaiņas sistēmā tiek veikta izotopu un jonu formu elektromigrācijas aizstāšanas laikā elektrodialīzes procesā.

Kompleksās teorētiskās un eks-izotopu apmaiņas veikšana ir vērsta uz izotopu efektīvās atdalīšanas metožu procesu neperimentālās izpētes izpēti, atdalīšanas attīstība ir svarīga zinātniskā un praksē jaunu tehnoloģiju izotopu atdalīšanai un jonu nozīme, ko nosaka vajadzības. ar līdzīgām īpašībām. kodolrūpniecība. Pētījumi šajā jomā

Izveidots uz oksīda augstas temperatūras supravadītāju bāzes. Pirmo reizi supravadošu keramiku 1986. gadā ieguva J. Bednorcs un K. Millers, kuriem par šo atklājumu tika piešķirta Nobela prēmija. Šī keramika tika izgatavota no lantāna, bārija un vara oksīda (La 2-x Ba x CuO 4), un tai bija neparasti augsta supravadošie materiāli supravadītāja pārejas temperatūra Tc = 35 K. Gadu vēlāk P. Čū vadībā tika iegūta keramika uz itrija-bārija-vara oksīda YBa 2 Cu 3 O 7-x bāzes ar Tc = 93 K . Šie atklājumi padarīja supravadītspēju daudzsološu praktiskiem lietojumiem.

Augstas temperatūras supravadītāja keramika, tāpat kā parastie keramikas materiāli, ir izgatavota no oksīda pulveriem. Oksīdkeramikas augstas temperatūras supravadītāju ražošana ietver šādus galvenos posmus: lādiņa sākotnējo komponentu dozēšana, lādiņa homogenizācija, augstas temperatūras (800-1100 o C temperatūrā) sintēze, ieskaitot lādiņa starpslīpēšanu. , kā arī keramikas izstrādājumu formēšana (presēšana) un saķepināšana.

Iegūto materiālu blīvumu un mikrostruktūru spēcīgi ietekmē sākotnējā pulvera stāvoklis un sintēzes apstākļi. Keramikas materiāli satur neorientētus graudus, poras un gandrīz vienmēr svešu fāžu piejaukumu. Augstas temperatūras supravadošas keramikas sintēzes laikā smalkgraudaini pulveri sāk saķepēt zemākā temperatūrā nekā rupji graudaini. Tas ļauj izvairīties no ievērojama daudzuma šķidrās fāzes veidošanās un parauga deformācijas. Neliela daudzuma piemaisījumu oksīdu ievadīšana bāzes sastāvā pozitīvi ietekmē keramikas īpašības, veicinot vajadzīgās tekstūras veidošanos.

HTSC keramikas mehāniskās un elektromagnētiskās īpašības tieši nosaka ievērojami neviendabīga struktūra, kas sastāv no graudiem, porām un mikrodefektiem, kas parasti ir lokalizēti uz graudu robežām. Supravadošās keramikas mikrostruktūras veidošanās un iznīcināšana notiek saķepināšanas procesā, kas veicina iekšējo spriegumu rašanos un materiāla darbību dažādos mehāniskos un termiskos apstākļos. Supravadošā keramika sastāv no supravadošām granulām, kurām raksturīgs diezgan augsts kritiskais strāvas blīvums jcr, bet, tā kā starpgranulārajā telpā ir zems jcr, tad augstas temperatūras keramikas transportstrāvas kritiskais blīvums samazinās, kas apgrūtina tās izmantošanu tehnoloģijā.

Līdz šim ir izveidots diezgan liels skaits supravadītāju keramikas, kas satur retzemju elementus Y, Ba, La, Nd, Sm, Eu, Cd, Ho, Er, Tm, Lu. Šai keramikai eksperimentālie pētījumi dod supravadītāja pārejas temperatūru temperatūras diapazonā no 86 K līdz 135 K.

Visizplatītākā ir lantāna keramika (La1-xBa)2CuO1-y ar Tc = 56 K, itrija keramika uz Y-Ba-Cu-O bāzes ar Tc = 91 K, bismuta keramika uz Bi-Sr-Ca-O bāzes ar Tc = 115 K, tallija keramika uz Tl-Ba-Ca-Cu-O bāzes ar Tc = 119 K, dzīvsudraba keramika HgBa2Ca2Cu3O8+x ar Tc = 135 K.

Ir izstrādāta tekstūras keramikas ražošanas tehnoloģija, kas ļāvusi palielināt strāvas blīvumu par lielumu kārtām. Bet pietiekami lielu izstrādājumu, vadu vai lentu ražošana no keramikas augstas temperatūras supravadītājiem joprojām ir diezgan sarežģīts tehnoloģisks uzdevums. Kompakti masīvi dažādu formu un izmēru elementi parasti tiek izgatavoti no oksīdu supravadošas keramikas Y-Ba-Cu-O, un garie kompozīti supravadītāji ir balstīti uz Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O savienojumiem dažādu metālu un sakausējumu apvalkos. Šādiem izstrādājumiem ir supravadītspējas efekts šķidrā slāpekļa temperatūrā un zemākā līmenī, augstas strāvas pārvades īpašības, un, tos lietojot, tie ļauj ievērojami samazināt elektrisko ierīču svaru un izmērus, samazināt ekspluatācijas izmaksas un izveidot ļoti efektīvas un videi draudzīgas elektrosistēmas.

Mikroviļņu komponentos tiek izmantotas plānas HTSC keramikas kārtiņas uz vienkristāliskiem substrātiem. Kā likums, galvenie HTSC plēvju parametri ietver pretestību un magnētisko jutību. Tos ražo, uzklājot uz substrāta ar lāzera un elektronu staru iztvaicēšanu, ķīmisko tvaiku pārklāšanu, tiešu un reaktīvu katoda izsmidzināšanu un molekulāro staru epitaksiju.

1986. gadā augstas temperatūras supravadītājus (HTSC) atklāja I. G. Bednorcs un K. A. Mullers. HTSC kritiskā temperatūra parasti ir augstāka par slāpekļa viršanas temperatūru (77 K). Šo savienojumu pamatā ir vara oksīdi, un tāpēc tos bieži sauc par kuprātiem vai metālu oksīdiem. 1987. gadā YBa 2 Cu 3 O 7 keramikai tika sasniegta supravadītāja pārejas temperatūra 92 K; pēc tam tā tika paaugstināta līdz 125 K tallija savienojumos. Augstākā kritiskā temperatūra, kas sasniegta 10 gadu HTSC pētījumu laikā (~145 K), pieder savienojumiem uz dzīvsudraba bāzes. Tagad ir zināmi vairāk nekā divi desmiti HTSC savienojumu - dažādu metālu kuprāti, tos sauc pēc parastajiem metāliem: itrijs (piemēram, YBa 2 Cu 3 O 7-x, Tc ~ 90 K), bismuts (Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8, Tc ~ 95 K), tallijs (Tl 2 BaCaCu 2 O 8, Tc~110 K), dzīvsudrabs (HgBa 2 CaCu 2 O 6 Tc~125 K).

Oksīda supravadītājos parasti ir 4-5 dažādu veidu atomi, un vienībā kristālogrāfiskā šūna satur līdz 20 atomiem. Gandrīz visiem HTSC ir slāņveida struktūra ar Cu un O atomu plaknēm. Ir sintezēti dažādi vara starpslāņu skaits, kuros CuO 2 slāņu skaits sasniedz 5. Skābekļa klātbūtnei ir būtiska nozīme. supravadītspējas mehānisms. Daudzu eksperimentu rezultāti liecina, ka plaknes ar skābekli ir galvenais objekts kristalogrāfiskajā režģī, kas ir atbildīgi gan par šo oksīdu savienojumu vadītspēju, gan par supravadītspējas rašanos tajos augstā temperatūrā.

HTSC ir tipiski II tipa supravadītāju pārstāvji ar ļoti lielu Londonas garuma attiecību pret koherences garumu - apmēram vairākus simtus. Tāpēc magnētiskais lauks H c 2 ir ļoti augsta vērtība, jo īpaši Bi 2212 tā ir aptuveni 400 T, un H c 1 vienāds ar vairākiem simtiem oerstedu (atkarībā no lauka orientācijas attiecībā pret kristālu).

Lielākajai daļai HTSC ir raksturīga spēcīga anizotropija, kas jo īpaši izraisa ļoti neparastu šo vielu magnētiskā momenta atkarību no lauka intensitātes, ja tas ir slīps pret galvenajām kristalogrāfiskajām asīm. Iedarbības būtība ir tāda, ka ievērojamas anizotropijas dēļ sākotnēji enerģētiski ir izdevīgāk virpuļlīnijām atrasties starp CuO 2 slāņiem un tikai tad pēc noteiktas lauka vērtības sāk iekļūt šajās plaknēs.

Eksperimentālā tehnika Supravadītāju magnētisko īpašību un Tc mērīšana

Supravadītāju magnētisko īpašību mērīšanai izmantotā tehnika principā neatšķiras no parasto magnētisko vielu, piemēram, feromagnētu, mērīšanas metodes, izņemot to, ka tai jāspēj darboties ļoti zemā temperatūrā. Eksperimentālās metodes var iedalīt divās grupās: tajās, kurās magnētiskā plūsma IN mēra paraugā, un tie, kuros mēra parauga magnetizāciju es(23. att.). Katra no šīm metodēm sniedz pilnīgu informāciju par parauga magnētiskajām īpašībām, taču atkarībā no apstākļiem var izvēlēties vienu vai otru no tām. Magnētiskajiem mērījumiem tiek izmantotas dažādas iekārtas ar dažādu sarežģītības pakāpi atkarībā no jutības, automatizācijas pakāpes utt. Tomēr visas šīs tehnoloģijas pamatā ir vienkāršas metodes, no kurām viena mēs tagad pievērsīsimies.

Šodien redzēju šo komentāru un diskusiju zem tā. Ņemot vērā, ka šodien biju pie supravadošo kabeļu ražošanas, gribēju ielikt pāris komentārus, bet tikai lasāms... Rezultātā nolēmu uzrakstīt īsu rakstu par augstas temperatūras supravadītājiem.

Sākumā katram gadījumam vēlos atzīmēt, ka pats termins “augstas temperatūras supravadītājs” nozīmē supravadītājus ar kritisko temperatūru virs 77 K (-196 °C) - lētā šķidrā slāpekļa viršanas temperatūru. Tie bieži ietver supravadītājus, kuru kritiskā temperatūra ir aptuveni 35 K, jo Tā bija pirmā supravadītāja kuprāta La 2-x Ba x CuO 4 (viela ar mainīgu sastāvu, tātad x) temperatūra. Tie. “Augstas” temperatūras šeit joprojām ir ļoti zemas.

Plaši tiek izmantoti divi augstas temperatūras supravadītāji - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) un Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Tiek izmantoti arī YBCO līdzīgi materiāli, kuros itrijs ir aizstāts ar citu retzemju elementu, piemēram, gadolīniju, to vispārīgais apzīmējums ir ReBCO.
Ražotā YBCO un cita ReBCO kritiskā temperatūra ir 90–95 K. Ražotā BSCCO sasniedz kritisko temperatūru 108 K.

Papildus augstajai kritiskajai temperatūrai ReBCO un BSCCO izceļas ar lielām kritiskā magnētiskā lauka vērtībām (šķidrā hēlijā - vairāk nekā 100 T) un kritisko strāvu. Tomēr ar pēdējo viss nav tik vienkārši...

Supravadītājā elektroni nepārvietojas neatkarīgi, bet gan pa pāriem (Cooper pairs). Ja mēs vēlamies, lai strāva pāriet no viena supravadītāja uz otru, tad atstarpei starp tiem jābūt mazākai par šī pāra raksturīgo izmēru. Metāliem un sakausējumiem šis izmērs ir desmitiem vai pat simtiem nanometru. Bet YBCO un BSCCO tas ir tikai pāris nanometri un nanometra daļas atkarībā no kustības virziena. Pat spraugas starp atsevišķiem polikristāla graudiņiem izrādās diezgan pamanāms šķērslis, nemaz nerunājot par spraugām starp atsevišķiem supravadītāja gabaliem. Rezultātā supravadītāja keramika, ja vien netiek veikti īpaši triki, spēj izlaist cauri tikai salīdzinoši nelielu strāvu.

Vienkāršākais veids, kā atrisināt problēmu, bija BSCCO: tā graudiem dabiski ir gludas malas, un vienkāršākā mehāniskā saspiešana ļauj pasūtīt šos graudus, lai iegūtu augstu kritisko strāvas vērtību. Tas ļāva ātri un vienkārši izveidot pirmās paaudzes augstas temperatūras supravadošos kabeļus, pareizāk sakot, augstas temperatūras supravadošās lentes. Tās ir sudraba matrica, kas satur daudzas plānas caurules, kas pildītas ar BSCCO. Šī matrica ir saplacināta, un supravadītāja graudi iegūst vēlamo secību. Mēs iegūstam plānu elastīgu lenti, kurā ir daudz atsevišķu plakanu supravadošu serdeņu.

Diemžēl BSCCO materiāls ir tālu no ideāla: tā kritiskā strāva ļoti ātri samazinās, palielinoties ārējam magnētiskajam laukam. Tā kritiskais magnētiskais lauks ir diezgan augsts, taču ilgi pirms šīs robežas sasniegšanas tas zaudē spēju izturēt jebkādas lielas strāvas. Tas ievērojami ierobežoja augstas temperatūras supravadošo lentu izmantošanu, tās nevarēja aizstāt vecos labos niobija-titāna un niobija-alvas sakausējumus, kas darbojas šķidrā hēlijā.

ReBCO ir pavisam cita lieta. Bet tajā ir ļoti grūti izveidot pareizo graudu orientāciju. Tikai salīdzinoši nesen viņi ir iemācījušies izgatavot supravadošās lentes, pamatojoties uz šo materiālu. Šādas lentes, ko sauc par otro paaudzi, ražo, izsmidzinot supravadošu materiālu uz substrāta, kam ir īpaša tekstūra, kas nosaka kristāla augšanas virzienu. Tekstūra, kā jūs varētu nojaust, ir nanometru lielumā, tāpēc šī ir īsta nanotehnoloģija. Maskavas uzņēmumā SuperOx, kur es īstenībā biju, lai iegūtu šādu struktūru, uz metāla substrāta tiek izsmidzināti pieci starpslāņi, no kuriem viens vienlaikus tiek izsmidzināts ar ātru jonu plūsmu, kas krīt noteiktā leņķī. Rezultātā šī slāņa kristāli aug tikai vienā virzienā, kurā joniem ir visgrūtāk tos izsmidzināt. Citi ražotāji, kuru pasaulē ir četri, var izmantot citas tehnoloģijas. Starp citu, iekšzemes lentēs itrija vietā tiek izmantots gadolīns, tas izrādās tehnoloģiski progresīvāks.

Otrās paaudzes supravadošās lentes ar platumu 12 mm un biezumu 0,1 mm šķidrā slāpeklī, ja nav ārēja magnētiskā lauka, izlaiž strāvu līdz 500 A. Ārējā magnētiskajā laukā, kura stiprums ir 1 T, kritiskā strāva joprojām ir sasniedz 100 A, bet pie 5 T - līdz 5 A Ja atvēsināsiet lenti līdz šķidrā ūdeņraža temperatūrai (niobija sakausējumi šajā temperatūrā pat nepāriet supravadītājā stāvoklī), tad tā pati lente spēs izturēt 500 A laukā 8 T, un "kādus" 200-300 A laukā 8 T. līmenī pāris desmitiem Tesla (varde lido). Par šķidro hēliju nav jārunā: uz šīm lentēm ir magnētu projekti ar lauku 100 Teslu līmenī! Tiesa, te pilnā sparā rodas mehāniskās stiprības problēma: magnētiskajam laukam vienmēr ir tendence salauzt elektromagnētu, bet, šim laukam sasniedzot desmitiem teslu, tā centieni ir viegli īstenojami...

Taču visas šīs lieliskās tehnoloģijas neatrisina divu supravadītāja gabalu savienošanas problēmu: lai arī kristāli ir orientēti vienā virzienā, par ārējās virsmas pulēšanu līdz subnanometra izmēra raupjumam nav runas. Korejiešiem ir tehnoloģija atsevišķu sloksņu saķepināšanai savā starpā, taču tā joprojām, maigi izsakoties, ir tālu no ideāla. Parasti lentes tiek savienotas viena ar otru, izmantojot parasto lodēšanu, izmantojot parasto alvas-svina lodmetālu vai citu klasisku metodi. Protams, šajā gadījumā pie kontakta parādās galīga pretestība, tāpēc no tādām lentēm nav iespējams izveidot supravadošu magnētu, kam nav nepieciešama jauda daudzus gadus, un vienkārši elektrolīniju ar precīzi nulles zudumiem. Bet kontakta pretestība ir nelielas mikroomu daļas, tāpēc pat pie 500 A strāvas tur izdalās tikai milivatu daļas.

Protams, populārzinātniskā rakstā lasītājs meklē vairāk izklaides... Šeit ir daži video no maniem eksperimentiem ar otrās paaudzes augstas temperatūras supravadošo lenti:

Pēdējais video tika ierakstīts YouTube komentāra iespaidā, kurā autors apgalvoja, ka supravadītspēja neeksistē, un magnēta levitācija ir pilnīgi neatkarīgs efekts, aicinot ikvienu pārliecināties par savu pareizību, tieši izmērot pretestību. Kā redzam, supravadītspēja joprojām pastāv.

AUGSTAS TEMPERATŪRAS SUPERVADĪTĪGAS DC KABEĻU LĪNIJAS — SOLIS UZ INTELIGENTU ENERĢIJAS TĪKLIEM

V.E. Sitņikovs, inženierzinātņu doktors, AS “NTC FSK EES”
T.V. Rjabins, AS “NTC FSK EES” direktora vietnieks
D.V. Sorokins, inženierzinātņu kandidāts, AS “NTC FSK EES”

Atslēgvārdi: supravadoši kabeļi; elektrotīkls, kritiskā strāva, kriogenika.

XXI gadsimta elektrorūpniecībai vajadzētu nodrošināt augstu enerģijas ražošanas, transportēšanas un izmantošanas efektivitāti. To var panākt ar augstākām prasībām energosistēmas vadāmībai, kā arī ekoloģiskajiem un resursu taupīšanas parametriem visos elektroenerģijas ražošanas un sadales posmos. Supravadīto tehnoloģiju izmantošana ļauj sasniegt kvalitatīvi jaunu intelektuālo šīs nozares funkcionēšanas līmeni. PAO FSK EES ir ieviesusi pētniecības un attīstības programmu, kas ietver augstas temperatūras supravadošu maiņstrāvas un līdzstrāvas kabeļu līniju (turpmāk HTSC CL) izstrādi.

Apraksts:

21. gadsimta elektroenerģijas nozarei ir jānodrošina augsta efektivitāte enerģijas ražošanā, transportēšanā un patēriņā. To var panākt, palielinot prasības energosistēmas vadāmībai, kā arī vides un resursu taupīšanas raksturlielumiem visos elektroenerģijas ražošanas un sadales posmos. Supravadītāju tehnoloģiju izmantošana ļauj pāriet uz kvalitatīvi jaunu šīs nozares intelektuālo funkcionēšanas līmeni. PJSC FGC UES pieņēma pētniecības un attīstības programmu, tostarp augstas temperatūras supravadītāju kabeļu līniju (turpmāk tekstā HTSC CL) izveidi maiņstrāvai un līdzstrāvai.

V. E. Sitņikovs, inženierzinātņu doktors. Zinātnes, zinātniskā direktora vietnieks, AS "STC FGC UES"

T. V. Rjabins, AS "STC FGC UES" ģenerāldirektora vietnieks;

D. V. Sorokins, Ph.D. tech. Zinātnes, IES AAS Sistēmu izpētes un attīstības centra vadītājs, AS "STC FGC UES"

21. gadsimta elektroenerģijas nozarei ir jānodrošina augsta efektivitāte enerģijas ražošanā, transportēšanā un patēriņā. To var panākt, palielinot prasības energosistēmas vadāmībai, kā arī vides un resursu taupīšanas raksturlielumiem visos elektroenerģijas ražošanas un sadales posmos. Supravadītāju tehnoloģiju izmantošana ļauj pāriet uz kvalitatīvi jaunu šīs nozares intelektuālo funkcionēšanas līmeni. PJSC FGC UES pieņēma pētniecības un attīstības programmu, tostarp augstas temperatūras supravadītāju kabeļu līniju (turpmāk HTSC CL) izveidi maiņstrāvai un līdzstrāvai 1 .

Lielākajā daļā pasaules rūpnieciski attīstīto valstu notiek intensīva jaunu veidu elektrisko ierīču, kuru pamatā ir supravadītāji, izpēte un izstrāde. Interese par šīm izstrādnēm ir īpaši pieaugusi pēdējos gados, jo ir atklāti augstas temperatūras supravadītāji (turpmāk HTSC), kuriem nav nepieciešamas sarežģītas un dārgas dzesēšanas ierīces.

Supravadošu kabeļu ieviešanas perspektīvas

Tieši jaudas supravadošie kabeļi ir šobrīd attīstītākā un progresīvākā supravadītspējas izmantošanas metode elektroenerģijas nozarē. Galvenās supravadošo kabeļu priekšrocības ir:

• augsta efektivitāte, pateicoties zemiem enerģijas zudumiem supravadītājā;
• iespēja nomainīt esošo kabeli pret kabeli ar lielāku pārraides jaudu ar tādiem pašiem izmēriem;
• mazs svars, jo mazāk izmantoto materiālu;
• kabeļa dzīves cikla palielināšana izolācijas novecošanas procesa palēnināšanās rezultātā;
• zema pretestība un liels kritiskais garums;
• elektromagnētisko un termisko klaiņojošo lauku trūkums, videi draudzīgums un ugunsdrošība;
• spēja pārraidīt lielas jaudas ar salīdzinoši zemu spriegumu.

HTSC CL līdzstrāvai un maiņstrāvai ir inovatīva attīstība, kas ļauj atrisināt ievērojamu daļu elektrisko tīklu problēmu. Tomēr, izmantojot HTSC DC CL, līnija kļūst par kontrolētu tīkla elementu, kas regulē pārraidītās enerģijas plūsmu līdz pārraides apvērsumam. HTSC līdzstrāvas līnijām ir vairākas papildu priekšrocības salīdzinājumā ar maiņstrāvas līnijām:

• īssavienojuma strāvu ierobežojums, kas ļauj savienot atsevišķus energosistēmas sektorus zemā pusē, nepalielinot īssavienojuma strāvas;
• palielināt tīkla stabilitāti un novērst kaskādes patērētāju atslēgumus, izmantojot energoapgabalu savstarpēju dublēšanu;
• jaudas plūsmas sadales regulēšana paralēlās līnijās;
• jaudas pārvade ar minimāliem zudumiem kabelī un līdz ar to samazinātām prasībām kriogēnajai sistēmai;
• nesinhronizētu energosistēmu komunikācijas iespēja.

Elektrotīklos ir iespējams izveidot ķēdi, izmantojot gan HTSC maiņstrāvas, gan līdzstrāvas līnijas. Abām sistēmām ir savi vēlamie pielietojumi, un galu galā izvēli nosaka gan tehniski, gan ekonomiski apsvērumi.

Supravadoši ieliktņi starp apakšstacijām megapilsētās

Megapilsētu enerģijas tīkli ir dinamiski attīstoša struktūra, kurai ir šādas īpašības:

• straujš enerģijas patēriņa pieaugums, kas parasti pārsniedz vidējo patēriņa pieauguma tempu visā valstī;
• augsts enerģijas blīvums;
• enerģijas deficīta zonu klātbūtne;
• augsta elektrosadales tīklu sazarojuma pakāpe, kas ir saistīta ar nepieciešamību pēc vairākkārtējas elektroapgādes līniju dublēšanas patērētājiem;
• elektrotīkla sadalīšana, lai samazinātu īssavienojuma strāvas.

Visi šie faktori nosaka galvenās problēmas pilsētu aglomerācijas tīklos:

• augsts elektroenerģijas zudumu līmenis sadales tīklos;
• augsts īssavienojuma strāvu līmenis, kuru vērtības dažos gadījumos pārsniedz komutācijas iekārtu pārrāvuma spēju;
• zems vadāmības līmenis.

Tajā pašā laikā pilsētā apakšstaciju noslogojums ir ļoti nevienmērīgs. Daudzos gadījumos apakšstaciju transformatori ir tikai 30–60% noslogoti. Pilsētās dziļās ieejas apakšstacijas parasti tiek darbinātas pa atsevišķām augstsprieguma līnijām. Apakšstaciju pieslēgšana vidējā sprieguma pusē var nodrošināt savstarpēju dublēšanu starp enerģētikas rajoniem un atbrīvot rezerves transformatora jaudu, kas galu galā novedīs pie enerģijas zudumu samazināšanās tīklā. Turklāt šāda veida pieslēgums ļauj izmantot atbrīvoto jaudu papildu slodžu pieslēgšanai bez nepieciešamības nodot ekspluatācijā jaunus transformatorus vai būvēt jaunas apakšstacijas un elektropārvades līnijas.

Ja ir ieliktnis (1. att.), trīs transformatori pilnībā nodrošinās elektroenerģiju pieslēgtajiem patērētājiem ar slodzi ne vairāk kā 80%. Ceturto transformatoru un tā barošanas līniju var ievietot darbības rezervē, kas samazinās enerģijas zudumus. Tos var izmantot arī papildu patērētāju pieslēgšanai. Šādu ieliktni var izgatavot, izmantojot gan tradicionālās tehnoloģijas, gan izmantojot supravadošās kabeļu līnijas.

1. attēls.

Galvenā problēma, ieviešot šādu shēmu, ir fakts, ka apakšstaciju tiešais savienojums ievērojami palielinās īssavienojuma strāvu. Šī ķēde sāks darboties tikai tad, ja ieliktnis veiks divas funkcijas: jaudas pārvadi un īssavienojuma strāvu ierobežošanu. Līdz ar to, pārraidot lielas enerģijas plūsmas pie sadales sprieguma, supravadošām līnijām ir nenoliedzamas priekšrocības.

Ieliktņa izveides problēmas risināšana sola lielas izredzes uzlabot megapilsētu elektroapgādes sistēmas. Šobrīd pasaulē tiek īstenoti trīs lieli zinātniski projekti, kuru mērķis ir pārraidīt lielu jaudu pie vidējā sprieguma starp divām apakšstacijām, vienlaikus ierobežojot īsslēguma strāvas: HYDRA projekts, Ņujorka, ASV; AmpaCity projekts, Esene, Vācija 2 ; projekts "Sanktpēterburga", Krievija. Apskatīsim tuvāk pēdējo projektu.

Krievijas HTSC DC CL

Sanktpēterburgas projekta mērķis ir 50 MW supravadošas līdzstrāvas līnijas izstrāde un uzstādīšana starp divām pilsētas apakšstacijām, lai palielinātu elektroapgādes drošumu patērētājiem un ierobežotu īssavienojuma strāvu Ziemeļu galvaspilsētas pilsētas tīklā. Projekts paredz kabeļu līniju ierīkošanu starp 330/20 kV apakšstaciju "Centrālā" un 220/20 kV apakšstaciju RP 9 (2. att.). Supravadošā līdzstrāvas līnija savienos abas apakšstacijas 20 kV vidējā sprieguma pusē. Līnijas garums ir 2500 m, un pārraidītā jauda ir 50 MW. Sanktpēterburgas projektā jaudas pārvades un īssavienojuma strāvas ierobežošanas funkcijas ir sadalītas starp kabeli un pārveidotājiem, ja tie ir atbilstoši konfigurēti. Supravadošam līdzstrāvas kabelim, atšķirībā no maiņstrāvas kabeļa, nav enerģijas zudumu, kas ievērojami samazina kriogēnās iekārtas jaudas prasības. Tomēr, izmantojot šo shēmu, pārveidotājos rodas papildu enerģijas zudumi. Līdzstrāvas līnija ir aktīvs tīkla elements un ļauj kontrolēt enerģijas plūsmas blakus esošajās līnijās gan virzienā, gan pārraides jaudas izteiksmē.

Projekta ietekme uz elektriskajiem režīmiem

330 kV apakšstacijas "Centralnaja" un 220 kV apakšstacijas RP 9 (turpmāk tekstā "Centralnaja/RP 9") enerģētikas rajonā elektrolīniju avārijas izslēgšanas un traucējumu dēļ var rasties vairāki pēcavārijas apstākļi. elektroenerģijas piegāde patērētājiem (enerģētikas rajonu sadale izolētām slodzēm).

Aprēķini liecina, ka elektroapgādes rezervēšana patērētājiem, izbūvējot un nododot ekspluatācijā maiņstrāvas elektrolīniju (tradicionālo kabeļu vai gaisvadu elektrolīniju) Central/RP 9, nav iespējama, jo tas palielina pēcavārijas apstākļu nopietnību. No tā var izvairīties, nododot ekspluatācijā kontrolētu līdzstrāvas pārraidi ar HTSC DC CL.

DC HTSC CL jaudas plūsmas lieluma un virziena kontrole ļauj arī:

• aktīvās jaudas zudumu samazināšana elektrotīklos (sakarā ar tranzīta jaudas plūsmu pārdali un likvidēšanu);
• jaunu patērētāju pieslēgšana uz esošās elektrotīkla infrastruktūras bāzes (pārdalot jaudas plūsmas un likvidējot strāvas elektrisko tīklu pašreizējās pārslodzes energosistēmu normālos darba un pēcavārijas režīmos).

Projekta ietekme uz īssavienojuma strāvu līmeni

Īssavienojuma strāvu aprēķini tika veikti 3 gadījumam, kad ķēdē tiek ievadīta tradicionālā maiņstrāvas kabeļa līnija, kā arī HTSC līdzstrāvas kabeļu līnijas. Pamatojoties uz aprēķinu rezultātiem (1. tabula), mēs nonākam pie secinājuma, ka Centrālās/RP 9 maiņstrāvas kabeļa līnijas iekļaušana Sanktpēterburgas elektroapgādes shēmā noved pie īssavienojuma strāvas vērtības pieauguma virs slēdžu nominālās atslēgšanas strāvas līmenis. Tas nozīmē, ka apakšstacijās būs nepieciešams ieviest papildu strāvas ierobežošanas pasākumus vai nomainīt komutācijas ierīces. Līdzstrāvas HSTP kabeļu līniju izmantošana (3. tabula) neizraisa īssavienojuma strāvu palielināšanos energosistēmā.

1. tabula Īsslēguma strāvu aprēķina rezultāti

Apzīmējumi: es 3 – trīsfāzu īssavienojuma strāva; es 1 – vienfāzes īssavienojuma strāva; es off – slēdžu nominālā pārslēgšanas strāva (pieņemta, pamatojoties uz apakšstaciju slēdžu stāvokli 2014. gada līmenī).

Enerģijas zudumu novērtējums supravadošās līnijās

Vidējā sprieguma maiņstrāvas līnijās elektroenerģijas zudumi rodas pašā kabelī, elektriskajā izolācijā un strāvas ievadēs. Līdzstrāvas līnijā nav enerģijas zudumu kabelī un izolācijā, bet tie pastāv pārveidošanas ierīcēs un strāvas ievadēs. Turklāt kriogēnā sistēma patērē elektroenerģiju, lai kompensētu visu siltuma ieplūšanu aukstajā zonā un sūknētu aukstumaģentu visā maršrutā.

Trīsfāzu vidējā sprieguma maiņstrāvas līnijai ar pārraides jaudu 100 MVA enerģijas zudumi fāzē ir šādu vērtību summa:

• elektromagnētiskie zudumi kabeļa serdeņā – 1,0–1,5 W/m;
• siltuma pieplūde caur kriostatu – 1,5 W/m;
• siltuma pieplūdes pa strāvas vadiem – (200–300 W) x 2;
• enerģijas zudumi izolācijā ir aptuveni 0,1 W/m.

Kopējais siltuma pieplūdums aukstajā zonā ar trīsfāžu līnijas garumu 10 km būs 78,5–93,5 kW. Reizinot šo vērtību ar parasto dzesēšanas koeficientu 20, tiek iegūta 1,57–1,87 MVA jeb mazāk nekā 2% no pārraidītās jaudas.

Līdzīgai līdzstrāvas līnijai siltuma plūsmu aukstajā zonā ierobežo tikai siltuma plūsma caur kriostatu un strāvas vadiem. Tad kopējie enerģijas zudumi 10 km kabelī, ņemot vērā kriogēno sistēmu, būs 0,31 MVA jeb 0,31% no pārraidītās jaudas.

Lai novērtētu kopējos zudumus līdzstrāvas līnijā, jāpievieno zudumi pārveidotājos - 2% no pārraidītās jaudas. Tiek lēsts, ka galīgie zudumi 10 km garā līdzstrāvas HTSC kabeļa līnijā ar 100 MW pārraides jaudu ir ne vairāk kā 2,5% no pārraidītās jaudas.

Iepriekš minētie aprēķini liecina, ka enerģijas zudumi supravadošo kabeļu līnijās ir ievērojami mazāki nekā tradicionālajās kabeļu līnijās. Palielinoties pārraidītajai jaudai, enerģijas zudumu procentuālais daudzums samazinās. Ar mūsdienu materiāla veiktspējas līmeni ir iespējama enerģijas pārvade 150–300 MW pie 20 kV un līdz 1000 MW pie 110 kV.

Īstenošanas iespējas

Veiksmīgie HTSC CL testi ar tiešo un maiņstrāvu parādīja supravadošo līniju augsto efektivitāti.

Viena no galvenajām supravadošo kabeļu līniju priekšrocībām ir spēja pārraidīt lielas enerģijas plūsmas (simtiem megavatu) pie sadales sprieguma. Šīs jaunās iespējas ir vēlams ņemt vērā un izmantot, projektējot vai radikāli rekonstruējot tīkla objektus.

Piemēram, rekonstruējot/veidojot Jaunmaskavas energosistēmu, būtu vēlams paredzēt gareniski jaudīgu supravadītāju līniju izveidi, un vairākas jaudīgas apakšstacijas savienot gredzenveida konstrukcijā ar supravadošām līdzstrāvas līnijām vidējā sprieguma pusē. Tas būtiski uzlabos tīkla energoefektivitāti, samazinās bāzes apakšstaciju skaitu, nodrošinās augstu enerģijas plūsmu vadāmību un galu galā palielinās energoapgādes drošumu patērētājiem. Šāds tīkls varētu kļūt par īstu nākotnes viedā tīkla prototipu.

Literatūra

1. Gļebovs I. A., Černoplekovs N. A., Altovs V. A. Supravadīšanas tehnoloģijas - jauns posms elektrotehnikas un enerģētikas attīstībā // Supravadītspēja: pētniecība un attīstība. 2002. Nr.41.
2. Sytnikov V. E. Supravadošie kabeļi un to izmantošanas iespējas 21. gadsimta energosistēmās // Supravadītspēja: pētniecība un attīstība. 2011. Nr.15.
3. EPRI. Supravadošo enerģijas iekārtu tehnoloģiju pulkstenis 2012. Palo Alto, CA, ASV, 2012. gads.
4. Stemmle M., Merschel R, Noe M. Physics Procedia 36 (2012).
5. Sytnikov V. E., Kopylov S. I., Shakaryan Yu, Krivetsky I. V. HTSC līdzstrāvas pārvade kā lielo pilsētu “viedā tīkla” elements. 1. Nacionālās lietišķās supravadītspējas konferences materiāli. M.: Nacionālais pētniecības centrs "Kurčatova institūts", 2013.
6. Kopilovs S., Sitņikovs V., Bemerts S. u.c. al. // Žurnāls Fizika.: Konference. sērija. 2014. V. 507. P. 032047.
7. Volkovs E. P., Visockis V. S., Karpiševs A. V., Kostjuks V. V., Sitņikovs V. E., Firsovs V. P. Pirmā supravadītāja kabeļa izveide Krievijā, izmantojot augstas temperatūras supravadītspējas fenomenu. Krievijas Zinātņu akadēmijas rakstu krājums “Inovatīvas tehnoloģijas enerģētikas sektorā”, red. E. P. Volkovs un V. V. Kostjuks. M.: Nauka, 2010. gads.

1 Rakstā galvenā uzmanība pievērsta testu rezultātiem un perspektīvām HTSC līdzstrāvas kabeļu līniju plašai ieviešanai enerģētikas nozarē.

2 1. HYDRA Project, Ņujorka, ASV. Projekta mērķis ir izstrādāt un uzstādīt supravadošu maiņstrāvas kabeļu līniju starp divām pilsētas apakšstacijām Ņujorkā. Līnijai jānodrošina lielas jaudas komunikācija (96 MVA) starp apakšstacijām transformatoru sekundārajā pusē (13,8 kV). Kabeļu sistēmai būs iespēja ierobežot īssavienojuma strāvu, jo otrās paaudzes HTSC lentes ātri pāriet uz normāli vadošu stāvokli. Tas nodrošina zemu līnijas pretestības vērtību nominālajā režīmā (līnijas supravadītspējas stāvoklī) un pāreju uz augstas pretestības stāvokli strāvas pārslodzes laikā.
HYDRA projekts apvieno lielas jaudas pārvades un strāvas ierobežošanas funkcijas vienā ierīcē – īpaši izstrādātā supravadošā kabelī. Tas apgrūtina kabeļa optimizāciju, pamatojoties uz iespējamiem tīkla apstākļiem, dzesēšanas apstākļiem un kabeļa maršrutēšanu. Turklāt vienam projektam izstrādātos tehniskos risinājumus nevar atkārtot citiem, jo ​​atšķiras ekspluatācijas apstākļi un uzstādīšanas apstākļi un līdz ar to dzesēšanas apstākļi kabelim, kam periodiski jāpāriet no supravadoša stāvokļa uz normāli vadošu.
2. AmpaCity projekts, Esene, Vācija. Projekta mērķis ir izstrādāt un uzstādīt 40 MVA supravadošu maiņstrāvas pārvadi starp divām pilsētas apakšstacijām. Transmisija sastāv no 1000 m gara supravadoša kabeļa un virknē savienota 10 kV strāvas ierobežotāja. Šī pārraide savieno divas 110/10 kV apakšstacijas Herkules un Dellbrugge Esenes pilsētas centrā. Projekta īstenošana ļaus pārtraukt vienu 40 MVA transformatoru un 110 kV līniju.
AmpaCity projektā jaudas pārvades un īsslēguma strāvas ierobežošanas funkcijas ir sadalītas starp kabeli un strāvas ierobežotāju. Tas vienkāršo katras ierīces projektēšanas uzdevumu un ļauj izgatavot kabeli ar augstu stabilizācijas pakāpi, kas HYDRA projektā nav iespējams. Protams, ir jāsaskaņo kabeļa un strāvas ierobežotāja raksturlielumi, taču tas nav grūts uzdevums, un projekta realizācijas gaitā izstrādātos tehniskos risinājumus var atkārtot, izstrādājot citas līnijas ar līdzīgiem parametriem.

3 Aprēķini veikti, pamatojoties uz Sanktpēterburgas un Ļeņingradas apgabala energosistēmas perspektīvās shēmas piemērošanu 2020. gadam.