Științe Tehnice

UDC 537.312.62:620.018.45

METODE DE PRODUCȚIE ȘI PROPRIETĂȚI ALE CERAMICILOR HTSC PE BAZĂ PE PULBERI ULTRAFINE

O.L. Khasanov

Universitatea Politehnică din Tomsk E-mail: [email protected]

Sunt descrise rezultatele dezvoltării tehnologiei de fabricare a ceramicii supraconductoare la temperatură înaltă pe bază de pulberi ultrafine, inclusiv metode de compactare uscată sub influența ultrasunetelor puternice. justificat conditii optime procese de sinteza a pulberii HTSC si sinterizarea ceramicii. Sunt prezentate date despre proprietățile de performanță ale mostrelor de ecrane cu câmp electromagnetic, rezonatoare volumetrice cu microunde și SQUID-uri ceramice fabricate din ceramică HTSC.

Introducere

Printre materialele ceramice moderne, ceramica supraconductoare de înaltă temperatură (HTSC) ocupă un loc special. Fenomenul de supraconductivitate la temperaturi peste 30 K a fost descoperit experimental în 1986 de J. Bednorz și K. Müller în familia cupraților de lantan Ba-La-Cu-O, iar în curând temperaturile critice de tranziție superconductoare Tc au fost atinse peste punctul de fierbere al lichidului. azot (77 TO). Odată cu depășirea acestui prag, au apărut perspective interesante pentru aplicarea practică a HTSC-urilor în electronică, tehnologia comunicațiilor și măsurători de precizie, în energie, inginerie electrică, transport și alte domenii.

Prin urmare, cercetarea s-a dezvoltat nu numai în direcția fundamentală, ci și în aspectul aplicativ. Problema cheie a fost dezvoltarea tehnologiilor care fac posibilă producerea produselor necesare din materiale ceramice atât de fragile precum cuprații complexe: fire și cabluri, inductori, rezonatoare volumetrice etc. În multe cazuri de aplicații „cu curent scăzut” (electronice, senzori), utilizarea tehnologiilor de film pentru fabricarea structurilor bazate pe filme HTSC a fost eficientă. Cu toate acestea, pentru aplicațiile „curenți mari” (energie, transport, tehnologie acceleratoare etc.) este încă relevantă dezvoltarea tehnologiilor de producere a materialelor HTSC ceramice în vrac cu capacitate mare de purtare a curentului și proprietăți stabile.

Acest articol prezintă principalele rezultate ale cercetării privind dezvoltarea metodelor de fabricare și studierea proprietăților ceramicii HTSC din familia YBa2Cu3O7_x. Scopul lucrării a fost de a dezvolta metode pentru sinteza pulberii ultrafine (UDP) din faza HTSC, compactarea și sinterizarea acesteia a ceramicii supraconductoare monofazate cu caracteristici critice ridicate.

Fază solidă și autopropagabilă

sinteza la temperatură ridicată a HTSC

Sinteza fazei ortorombice supraconductoare 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.

După cum se știe, sinteza în fază solidă este un proces de difuzie. O analiză a cursului său și a condițiilor termodinamice de sinteză a arătat că atunci când temperatura de sinteză a fazei 1-2-3 este coborâtă sub binecunoscutul 950 °C, probabilitatea formării unei faze nesuperconductoare 2- 1-1 este redusă, sinterizarea granulelor rezultate din faza 1-2-3, care este nedorită, este împiedicată. Astfel de condiții sunt atinse atunci când se utilizează toți reactivii sau unul dintre ei sub formă de UDP. Se arată că în sarcina inițială în stare ultradispersă este suficient să se folosească numai cupru. Într-un amestec de compoziție 1-2-3 folosind UDP

Cu, temperatura de sinteză scade la 920 °C, iar durata de formare a fazei HTSC scade cu 12 ore, ceea ce este asociat cu o creștere a numărului de nuclee datorită factorului geometric - un număr și o suprafață mai mare de contactele dintre Cu UDP și particulele mai mari de U2O3 și BaCO3. Intensificarea cineticii formării fazelor se datorează unei creșteri a coeficientului de difuzie al substanței particulelor de cupru submicronice (care au conținutul maxim stoechiometric în sarcină) la interfața reactanților datorită activității lor de suprafață, defectivității și metastabilității termodinamice. a structurii, precum și detașarea efectivă a granulelor de faze intermediare de sinteză din particule mai mari de reactivi din cauza tensiunilor intergranulare. Ca rezultat, un UDP HTSC UVa2Cu307-x monofazat este sintetizat cu o dimensiune medie a particulei de 0,4...0,7 μm, o temperatură critică a tranziției supraconductoare Tc = 95 K și o lățime a acestei tranziții Tc = 1 K.

Sinteza fazelor HTSC poate fi realizată nu numai prin reacții în fază solidă, ci și prin metoda de sinteză la temperatură înaltă cu autopropagare (SHS), atunci când reacția de sinteză este realizată ca rezultat al stratului cu strat. autoîncălzirea unui amestec de reactivi datorită unui efect termic exotermic.

Formarea compusului UVa2Cu307-x cu un astfel de efect exotermic este posibilă prin reacția:

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

unde BaO2, O2 sunt agenți de oxidare; Cu este un agent de reducere a cuprului metalic neoxidat.

Utilizarea UDP Cu intensifică reacția de sinteză și crește efectul termic al acesteia O (determinând auto-susținerea reacției în sarcină) datorită energiei mari stocate a particulelor ultrafine.

Pentru a determina modelele sistemului SHS 1-2-3 folosind UDP Si nami

au fost efectuate studii ale procesului într-un flux de oxigen și în aer, posibilitatea de reglare a temperaturii de ardere prin introducerea unui oxidant suplimentar, gradul de compactare a încărcăturii inițiale și selectarea geometriei probei. În aceste studii, sarcina a fost de a determina condițiile în care temperatura de ardere se află în intervalul de 900,970 °C, adică. corespunde temperaturii de sinteză și sinterizare a fazei HTSC 1-2-3.

Dintr-un amestec omogenizat de componente inițiale s-au format compacte de diferite diametre Br (7, 10, 14 și 18 mm) cu o înălțime de 3 mm prin presare uniaxială statică uscată la o presiune de presare P de la 50 la 350 MPa.

Valul de ardere în compacte a fost inițiat în două moduri: prin încălzirea rapidă a întregului compact într-un cuptor tubular special realizat la 800 °C și folosind o bobină electrică care a încălzit suprafața compactului la 750 °C. În ambele cazuri, imediat după SHS, efectul Meissner nu a fost observat în probe și a fost necesară o recoacere suplimentară la 950 °C timp de 2,8 ore pentru formarea fazei HTSC. Evident, pentru compactele cu geometria studiată are loc arderea un regim esențial non-adiabatic, care nu corespunde condițiilor termodinamice pentru formarea fazei HTSC.

Analiza de fază cu raze X efectuată pentru probele după SHS înainte de recoacere a arătat prezența fazelor U4Ba3O9, BaCuO2, faza tetragonală 1-2-3, Cu0, Cu, Y2O3 nereacționat, precum și o cantitate mică de faza ortorombica. 1-2-3. Conținutul fazei HTSC Csp a crescut la 40% după recoacere la 950 °C timp de 2 ore și la 50,60% după recoacere la 950 °C timp de 6 ore.

În Fig. 1.

Sau = 14 mmu \ P = 18 mm m

■■ 1- -1-*-1-

Orez. 1. Mărimea efectului Meissner în compactele HTSC sintetizate prin metoda SHS și recoapte la 950 C timp de 2 ore (a), apoi 6 ore (b) - în funcție de presiunea de presare P

Presarea uscată a UDP HTSC sub influența

ecografie

În toate etapele tehnologice de fabricație a ceramicii HTSC, este necesar să se țină cont de metastabilitatea fazei HTSC ortorombic 1-2-3 și de sensibilitatea sa ridicată la conținutul de oxigen și prezența vaporilor de apă. În acest sens, este relevant să se dezvolte metode de compactare a pulberii dure HTSC, în special a celor foarte dispersate (sintetizate din cupru UDP), fără utilizarea lianților și plastifianților. Prin urmare, am folosit metoda de presare uscată a pulberii HTSC sub influență ultrasonică (USV), aplicată perpendicular pe forța de presare.

Scopul acestor studii a fost de a studia efectul temperaturii de sinterizare asupra densității ceramicii HTSC fabricate folosind UDP Cu și tehnologie standard, presată în diferite moduri de tratament ultrasonic.

Probele au fost presate în tablete cu un diametru de 11,2 mm atât sub influență ultrasonică, cât și în mod static. Intensitatea USV a fost stabilită de tensiunea de ieșire a generatorului US și USV la 50, 75 și 100 V, care corespundea amplitudinilor de vibrație ale peretelui matriței AUZV = 5, 10 și 15 µm la o frecvență de 21,5 kHz. Sinterizarea a fost efectuată la temperaturi scăzute: 890 °C (pentru probe cu cupru UDP) și 950 °C (pentru probe din reactivi standard) timp de 48 de ore. Rezultatele experimentale sunt prezentate în Fig. 2.

Pentru toate modurile de presare, ceramica cea mai densă a fost sinterizată dintr-o încărcătură cu UDP Cu (valori 1, 2, 3 în Fig. 2, b), deși densitatea compactelor depindea nemonoton atât de tipul de încărcare, cât și de valorile lui P și USV. Pentru probele cu UDP, presarea ultrasonică în intervalul studiat și USV nu a avut practic niciun efect asupra densității ceramicii (valori 1, 2, Fig. 2, b). Evident, pentru pulberea HTSC foarte dispersată sintetizată din UDP, dimensiunile particulelor submicronice sunt semnificativ mai mici decât amplitudinea vibrației matricei AUZV = 5, 10 și 15 μm, iar sunetul trece prin compactarea pulberii dure HTSC fără a provoca deplasarea vibrațională a particule.

Doar la P = 907 MPa și USV = 75 V (curba 2, Fig. 2, a) s-a observat o scădere a densității de compactare - datorită aglomerării pulberii sub influența ultrasonică vibrațională a unei amplitudini date. După sinterizare, densitatea acestor probe a atins densitatea altor probe UDP presate la 907 MPa (curba 2, Fig. 2, b), ceea ce indică un efect ultrasonic de activare asupra particulelor de pulbere presată.

Densitatea ceramicii obținute din reactivi standard s-a înrăutățit după presarea ultrasonică cu presare ultrasonică = 50 V și îmbunătățită cu presarea ultrasonică = 75 V, 100 V comparativ cu presarea statică (curba 5, Fig. 2, b). Pentru o sarcină HTSC grosier dispersată în modurile USV studiate, s-au manifestat efecte cvasi-rezonante de coincidență a amplitudinii vibrației cu dimensiunile particulelor sau aglomeratelor, reflectate într-o creștere a densității compactelor și a ceramicii sinterizate la USV = 10 și 15. μm (USV = 75 și 100 V - curbele 5 din Fig. 2).

Datorită temperaturilor scăzute de sinterizare (890 °C pentru probele din UDP și 950 °C pentru probele din reactivi standard), densitatea ceramicii HTSC în aceste experimente nu a depășit 5,45 g/cm3 - 86% din densitatea teoretică. După optimizarea modurilor de presare uscată și sinterizare ale UDP HTSC, densitatea ceramică a ajuns la 6 g/cm3 (vezi Tabelul 1).

Caracteristicile electrice ale produselor ceramice HTSC sunt afectate semnificativ de dimensiunea granulelor fazei supraconductoare anizotrope și de textura lor. În timpul tratamentului termic convențional în această etapă a sinterizării HTSC, nu există o anizotropie pronunțată a creșterii boabelor. Cu toate acestea, deformarea direcțională creată în timpul presării uscate uniaxiale a boabelor anizotrope ale fazei 1-2-3 asemănătoare perovskitei creează o anumită direcție preferată, iar sistemul încetează să mai fie izotrop. Perpendicular pe direcția forței de presare în timpul procesului de sinterizare, are loc creșterea orientată a boabelor, adică. se formează textura. Dacă, în procesul de compactare uscată uniaxială, compactul HTSC este menținut o perioadă lungă de timp (10...20 ore) sub presiune (adică, se creează o tensiune și o direcție uniforme de deformare în el),

Orez. 2. Densitatea compactelor pp (a) și ceramicii HTSC sinterizate pc (b) în funcție de intensitatea tratamentului cu ultrasunete și presiunea de presare a UDP HTSC: 1) 746 MPa; 2) 907 MPa; 3) 1069 MPa; și încărcare din reactivi standard: 4) 746 MPa; 5) 907 MPa

), apoi în timpul procesului de recristalizare această direcție va fi selectată pentru creșterea boabelor. Granulele anizotrope ale fazei 1-2-3 asemănătoare perovskitei, în care planurile supraconductoare de CuO2 sunt perpendiculare pe direcția forței de presare, vor crește predominant în direcții de-a lungul acestor planuri (de-a lungul forței de deformare) și vor atinge dimensiuni semnificative (mai mult peste 10 μm). Datorită redistribuirii fluxurilor de difuzie a materiei de-a lungul acestor direcții, creșterea cerealelor este inhibată în toate celelalte direcții. Așa se dezvoltă procesul de texturare a ceramicii HTSC. În fig. Figura 3 prezintă microstructura ceramicii texturate 1-2-3, sinterizate în condițiile specificate (datele de microscopie electronică de scanare pe un microanalizator Philips SEM-15 au fost obținute cu ajutorul lui V.N. Lisetsky).

Studiile noastre au arătat că formarea texturii în timpul sinterizării ceramicii 1-2-3 din HTSC sintetizat cu UDP are loc optim la o presiune de presare uscată uniaxială peste 300 MPa, o durată de presare la o astfel de încărcare de peste 10 ore și o sinterizare. temperatura de 950...975 ° CU.

Proprietățile electrofizice ale ceramicii HTSC

și produse dezvoltate

Am testat supraconducțiile și alte proprietăți fizice ale probelor de ceramică HTSC și produse dezvoltate (HTSC SQUIDS, ecrane de câmpuri electromagnetice, rezonatoare volumetrice) pe instalații calibrate folosind metoda inductivă (Тс; ATC), metoda 4-contact (Тс; ATC; curent critic jc ), precum și pe echipamente specializate la Laboratorul de Fizică Neutronilor JINR (Dubna); la Laboratorul de inginerie radio cu microunde din MIREA (Moscova); la Institutul de Cercetare pentru Fizică Nucleară de la TPU, Institutul de Cercetare a Dispozitivelor Semiconductoare, Institutul Siberian de Fizică și Tehnologie de la TSU, KB „Proiect” (Tomsk). În tabel 1, în fig. 4

Sunt prezentate rezultatele măsurării parametrilor probelor ceramice HTSC fabricate folosind tehnologia descrisă mai sus.

Probe de plăci de rezonatoare volumetrice cu microunde și ecrane HTSC de câmpuri electromagnetice din ceramică 1-2-3 sub formă de cilindri goli cu un diametru de 50 mm, o înălțime de 40 mm cu o grosime de perete de 4 mm, împreună cu discuri de capăt cu un diametru de 50 mm și o grosime de 4 mm, au fost fabricate folosind tehnologie cu utilizarea UDP Si. Ceramica HTSC avea o densitate de 5,5 g/cm3, o temperatură critică Tc = 88 K. Factorul de calitate al unor astfel de rezonatoare, măsurat la temperatura heliului lichid T = 4,2 K, a fost O = 2700 la o frecvență / = 10 GHz (R = 3 cm ), rezistența la suprafață a discurilor în aceleași condiții este de -0,04 Ohm (măsurătorile au fost efectuate în Laboratorul 46 al Institutului de Cercetare Științifică de Fizică Nucleară de la TPU de către G.M. Samoilenko).

Tabelul 1. Proprietățile electrofizice ale probelor ceramice HTSC

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

Ceramica 1-2-3 pe baza de UDP Cu 5,9...6,0 10,20 95 3,5 920 150 250 150 241

Ceramica 1-2-3 din reactivi standard 5,2...5,5 40,50 90 1,5 90

Dimensiunea medie a granulelor conform microscopiei optice și electronice de scanare;

**]с - densitatea critică de curent determinată prin metoda cu 4 sonde (77 K, 0 T);

al-lea - factorul de calitate al probelor ceramice lustruite la o frecvență / = 3 GHz (2A / = 20 MHz) la temperatura camerei (la numărător) și la 77 K (la numitor), măsurată la Laboratorul de Inginerie Radio cu Microunde MIREA O.M. Oleinik;

O2 este factorul de calitate al acelorași probe, măsurat în aceleași condiții un an mai târziu, indicând rezistența la degradare a ceramicii.

Orez. 3. Imagine SEM a ceramicii HTSC texturate 1-2-3, sinterizată din UDP după preîncărcare în timpul presării și o diagramă cu bare a analizei de fază cu raze X (radiație CoKa)

Orez. 4. Curbe de tranziție supraconductoare pentru ceramica HTSC fabricată cu UDP Cu: 1, 2) presare statică uscată, sinterizare la 920 și respectiv 950 °C (măsurătorile Tc_ au fost efectuate la FLNP JINR de V.N. Polushkin); 3) Presare cu ultrasunete, sinterizare la 950 C (măsurătorile T au fost efectuate la LSVChR MIREA de A.A. Bush)

Testele acelorași probe cilindrice ca și ecranele de câmpuri electromagnetice au fost efectuate la Institutul de Cercetare al PP (Yu.V. Lilenko) și la SPTI la TSU (A.P. Ryabtsev).

Orez. 5. Proprietăți de ecranare ale cilindrului HTSC

Orez. 6. Histereza VPC în starea supraconductoare (T=77K) a unui cilindru HTSC

A fost utilizată o tehnică pentru măsurarea tensiunii IC pe bobina inductorului receptor (extern) situată în afara cilindrului HTSC, în timp ce curentul de testare I a trecut prin bobina generatoare (internă) plasată în interiorul cilindrului HTSC gol. Dependențele Пс = /(I) au fost luate în starea supraconductoare a ecranului (7 = 77 K) și în starea normală (la 293 K) - Fig. 5. Coeficient de ecranare la 7=77 K

la o frecvență de 10 kHz valoarea a fost £>100. Histerezisul caracteristicii câmp de tensiune (VFC) a ecranului HTSC la 77 K, spre deosebire de constanta la 300 K (Fig. 6), indică și proprietățile diamagnetice ale produsului studiat (curent prin eșantion 1 m = 1,3 mA / = 10 kHz).

Sensibilitatea unui senzor de interferență cuantică supraconductor (SQUID) este caracterizată de un parametru în:

in = 2 ■1 -ft

Aici b ~ 10-9,10-10 H este inductanța circuitului de cuantizare în SQUIDS ceramice, care este de obicei o gaură cu un diametru de 0,5-1,0 mm; 1C - curent critic prin joncțiunea Josephson (JJ); Ф0=2,07-10-15 V - cuantica fluxului magnetic. Pentru HTSC SQUID, valorile lui β = 1,2 sunt de fapt realizabile. Prin urmare, valoarea lui I ar trebui să fie de 1,10 mA. Pentru ceramica HTSC s-au obținut valorile densității critice de curent: Х=1/$=10...103 A/cm2 = 0,1,10 μA/μm2 la o temperatură de funcționare de 78 K (κ este aria secțiunii transversale a ceramicii HTSC). Rezultă că aria secțiunii transversale a DP din SQUID ar trebui să fie în interior

0,1,100.µm2, adică dimensiunile caracteristice ale DP ar trebui să fie de 0,3,10 microni. Această condiție specifică dimensiunea medie a granulelor a ceramicii HTSC. Pentru a forma DP în ceramica HTSC din boabe de dimensiunile indicate în timpul producției de calmari HTSC ceramici de tip Zimmermann, am folosit metodele de sinteză în fază solidă și presare uscată descrise mai sus. DP a fost format într-o tabletă HTSC între două găuri în timpul procesului de turnare și sinterizare a ceramicii HTSC cu textura densă, cu o densitate de 5,7–6,0 g/cm3, cu dimensiuni ale granulelor în planul texturii de 10,20 μm. Apoi, prin marcare mecanică cu control sub un microscop optic și tratament termic ulterior într-un flux de oxigen, a fost atinsă grosimea DP necesară de ~ 10 μm. Sensibilitatea SQUID-urilor la un câmp magnetic extern a atins valori de 1,2 μV/Fo.

Astfel, pe baza rezultatelor lucrării, s-au tras următoarele concluzii:

1. În condiții naturale, SHS atât a încărcăturii în vrac a compoziției 1-2-3, cât și a compactelor nu conduce la formarea unei faze HTSC, a cărei sinteză necesită recoacere suplimentară la 950 °C.

2. Inițierea SHS în aer printr-un impuls electric de la suprafața compactelor de geometria studiată se observă numai pentru încărcarea cu UDP Cu; utilizarea cuprului grosier în acest caz nu asigură efectul termic necesar al reacției.

3. Pentru formarea fazei HTSC prin metoda SHS, sunt necesari reactivi de un grad nu mai slab decât cel analitic (în primul rând agentul oxidant Ba02).

4. În intervalul studiat de dimensiuni geometrice, factorul de formă optim pentru SHS HTSC este Нр/Вр = 3/\4, presiunea de presare >150 MPa. În aceste condiții, densitatea ceramicii a ajuns la 4,6 g/cm3, conținutul fazei HTSC a fost de 54%, T = 86 K, AT = 5 K.

5. Presarea uscată sub influența ultrasunetelor este eficientă pentru sarcina HTSC grosier dispersată la amplitudinea de oscilație a matricei AUZV = 10 și 15 μm, când apar efecte de cvasi-rezonanță când amplitudinea oscilației coincide cu dimensiunea particulelor sau aglomeratelor.

6. Formarea texturii în timpul sinterizării ceramicii 1-2-3 din UDP HTSC sintetizat are loc optim la o presiune de presare uscată uniaxială peste 300 MPa, durata de presare la acest

încărcare mai mult de 10 ore și temperatura de sinterizare 950...975 °C.

7. Tehnologia sintezei în fază solidă a UDP HTSC și compactare uscată este eficientă pentru sinterizarea ceramicii HTSC texturate dens cu parametri critici înalți și pentru fabricarea produselor HTSC din aceasta: ecrane de câmpuri electromagnetice, rezonatoare, SQUIDS.

Lucrarea privind analiza condițiilor de presare cu ultrasunete a fost susținută de Fundația Rusă pentru Cercetare de bază, grant 01-03-32360.

BIBLIOGRAFIE

1. Tretyakov Yu.D., Gudilin E.A. Principii chimice de obținere a supraconductorilor de oxid de metal // Advances in Chemistry. - 2000. - T. 69. - Nr. 1. - P. 3-40.

2. Didenko A.N., Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L. şi altele. Aplicarea pulberilor ultrafine în sinteza ceramicii supraconductoare U-Ba-Cu-O // Fizicochimia şi tehnologia materialelor supraconductoare la temperatură înaltă. - M.: Nauka, 1989. - P. 133-134.

3. Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L. Sinteza și studiul proprietăților ceramicii HTSC texturate de înaltă densitate pe bază de pulberi ultrafine // În: Supraconductivitate la temperatură ridicată. - Tomsk: Consiliul științific pentru RSTP al RSFSR „VTSP”. - 1990. - P. 28-34.

4. Pat. 1829811 Federația Rusă. MKI N01b 39/14. Metodă de producere a pulberii monofazate foarte dispersate de supraconductor la temperatură înaltă UBa2Ci3O7-x / O.L. Khasanov, G.F. Ivanov, Yu.P. Pokholkov, G.G. Saveliev. Din 23.03.94.

5. Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L., Sokolov V.M. și altele. Caracteristici ale tehnologiei ultradisperse pentru fabricarea ceramicii supraconductoare la temperatură înaltă // Inginerie electrică. - 1996. - Nr. 11. - P. 21-25.

6. Merzhanov A.G., Peresada A.G., Nersisyan M.D. si altele // Scrisori JETP. - 1988. - T. 8. - Problema. 11. - p. 604-605.

7. Khasanov O.L., Sokolov V.M., Pokholkov Yu.P. și altele Compactarea cu ultrasunete a pulberii foarte dispersate UBa2Cu3O7-x // Știința materialelor supraconductoarelor de înaltă temperatură: Proc. raport II Internaţional. conf. - Harkov: Institutul de cristale individuale al NASU, 1995. - P. 149.

8. Khasanov O.L., Sokolov V.M., Dvilis E.S. și altele Tehnologie cu ultrasunete pentru fabricarea nanoceramicelor structurale și funcționale // Materiale de perspectivă. - 2002. - Nr. 1. - P. 76-83.

9. Pokholkov Yu.P., Khasanov O.L., Roitman M.S. si altele Dezvoltarea tehnologiei de fabricare a calamarilor HTSC ceramici si a unui magnetometru de baza pe baza acestora // Conversie in fabricarea instrumentelor: Proc. raport științific-tehnic seminar. - Tomsk: TPU, 1994. - P. 32.

UDC 621.039.33:541.183.12

SEPARAREA ISOTOPII ȘI IONILOR CU PROPRIETĂȚI SIMILARE ÎN PROCESE DE SCHIMB CU INVERSIUNEA ELECTROCHIMICĂ A DEBUTULUI DE FAZĂ

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

Universitatea Politehnică din Tomsk E-mail: [email protected]

Sunt prezentate rezultatele studiilor teoretice și experimentale privind separarea prin schimb a izotopilor și ionilor. Inversarea fluxurilor de fază în sistemul de schimb se realizează în timpul electromigrării, înlocuirea formelor izotopice și ionice în procesul de electrodializă.

Efectuarea unui schimb teoretic și ex-izotopic complex are ca scop studierea cercetării neperimentale a proceselor de metode de separare eficientă a izotopilor, dezvoltarea separării este importantă științifică și practica noilor tehnologii de separare a izotopilor și semnificația ionică, determinate de nevoile cu proprietăți similare. industria nucleară. Cercetări în domeniu

Creat pe baza supraconductoarelor cu oxid de temperatură înaltă. Ceramica supraconductoare a fost obținută pentru prima dată în 1986 de către J. Bednorz și K. Müller, cărora li s-a acordat Premiul Nobel pentru această descoperire. Această ceramică a fost făcută din lantan, bariu și oxid de cupru (La 2-x Ba x CuO 4) și avea un nivel neobișnuit de ridicat materiale supraconductoare temperatura de tranziție supraconductoare Tc = 35 K. Un an mai târziu, sub conducerea lui P. Chu, s-au obținut ceramică pe bază de oxid de ytriu-bariu-cupru YBa 2 Cu 3 O 7-x cu Tc = 93 K . Aceste descoperiri au făcut supraconductibilitatea promițătoare pentru aplicații practice.

Ceramica supraconductoare la temperatură înaltă, ca și materialele ceramice convenționale, sunt fabricate din pulberi de oxid. Producția supraconductoarelor ceramice cu oxid de temperatură înaltă cuprinde următoarele etape principale: dozarea componentelor inițiale ale încărcăturii, omogenizarea încărcăturii, sinteza la temperatură înaltă (la temperaturi de 800-1100 o C), inclusiv măcinarea intermediară a sarcinii. , precum și turnarea (presarea) și sinterizarea produselor ceramice.

Densitatea și microstructura materialelor rezultate sunt puternic influențate de starea pulberii inițiale și de condițiile de sinteză. Materialele ceramice conțin granule neorientate, pori și aproape întotdeauna un amestec de faze străine. În timpul sintezei ceramicii supraconductoare la temperatură înaltă, pulberile cu granulație fină încep să se sintereze la temperaturi mai scăzute decât cele cu granulație grosieră. Acest lucru evită formarea unor cantități semnificative de fază lichidă și deformarea probei. Introducerea unei cantități mici de oxizi de impurități în compoziția de bază are un efect pozitiv asupra proprietăților ceramicii, favorizând formarea texturii necesare.

Proprietățile mecanice și electromagnetice ale ceramicii HTSC sunt determinate direct de o structură semnificativ neomogenă constând din granule, pori și microdefecte, care, de regulă, sunt localizate la granițele granulelor. Formarea și distrugerea microstructurii ceramicii supraconductoare are loc în timpul procesului de sinterizare, ceea ce contribuie la apariția tensiunilor interne și la funcționarea materialului în diferite condiții mecanice și termice. Ceramica supraconductoare este formată din granule supraconductoare, care se caracterizează printr-o densitate critică de curent jcr destul de mare, dar întrucât spațiul intergranular are un jcr scăzut, densitatea critică a curentului de transport al ceramicii de temperatură înaltă scade, ceea ce complică utilizarea acestuia în tehnologie.

Până în prezent, a fost creat un număr destul de mare de ceramică supraconductoare care conțin elemente de pământuri rare Y, Ba, La, Nd, Sm, Eu, Cd, Ho, Er, Tm, Lu. Pentru aceste ceramice, studiile experimentale dau temperatura de tranziție supraconductoare în intervalul de temperatură de la 86 K la 135 K.

Cele mai frecvente sunt ceramica lantanică (La1-xBa)2CuO1-y cu Tc = 56 K, ceramica cu ytriu pe bază de Y-Ba-Cu-O cu Tc = 91 K, ceramica bismut pe bază de Bi-Sr-Ca-O cu Tc = 115 K, ceramică cu taliu pe bază de Tl-Ba-Ca-Cu-O cu Tc = 119 K, ceramică cu mercur HgBa2Ca2Cu3O8+x cu Tc = 135 K.

A fost dezvoltată o tehnologie de producere a ceramicii texturate, care a făcut posibilă creșterea densității curentului cu ordine de mărime. Dar producerea de produse, fire sau benzi suficient de mari din supraconductori ceramici de înaltă temperatură rămâne o sarcină tehnologică destul de dificilă. Elementele compacte masive de diferite forme și dimensiuni sunt de obicei realizate din ceramică supraconductoare de oxid Y-Ba-Cu-O, iar supraconductorii compoziți lungi se bazează pe compuși Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O în carcase de diferite metale și aliaje. Astfel de produse au un efect de supraconductivitate la temperaturi de azot lichid și mai jos, caracteristici ridicate de purtare a curentului și, atunci când sunt utilizate, fac posibilă reducerea semnificativă a greutății și dimensiunilor dispozitivelor electrice, reducerea costurilor de operare și crearea de sisteme electrice extrem de eficiente și ecologice.

În componentele cu microunde, se folosesc pelicule subțiri de ceramică HTSC pe substraturi monocristaline. De regulă, parametrii principali ai filmelor HTSC includ rezistivitatea și susceptibilitatea magnetică. Ele sunt produse prin depunere pe un substrat prin evaporare laser și fascicul de electroni, depunere chimică în vapori, pulverizare catodică directă și reactivă și epitaxie cu fascicul molecular.

În 1986, supraconductorii de înaltă temperatură (HTSC) au fost descoperiți de I. G. Bednorz și K. A. Muller. Temperatura critică a HTSC se află, de regulă, peste punctul de fierbere al azotului (77 K). Baza acestor compuși sunt oxizii de cupru și, prin urmare, sunt adesea numiți cuprați sau oxizi de metal. În 1987, a fost atinsă o temperatură de tranziție supraconductoare de 92 K pe ceramica YBa 2 Cu 3 O 7; a fost apoi ridicat la 125 K în compuși cu taliu. Cea mai mare temperatură critică atinsă în 10 ani de cercetare HTSC (~145 K) aparține compușilor pe bază de mercur. Acum sunt cunoscuți mai mult de două duzini de compuși HTSC - cuprați ai diferitelor metale, ei sunt numiți în funcție de metalele de bază: ytriu (de exemplu, YBa 2 Cu 3 O 7-x, Tc ~ 90 K), bismut (Bi 2 Sr 2). CaCu 2 O 8, Tc ~ 95 K), taliu (Tl 2 BaCaCu 2 O 8, Tc ~ 110 K), mercur (HgBa 2 CaCu 2 O 6 Tc ~ 125 K).

Supraconductorii de oxid conțin de obicei 4-5 tipuri diferite de atomi, iar o celulă cristalografică unitară conține până la 20 de atomi. Aproape toate HTSC au o structură stratificată cu planuri de atomi de Cu și O. Numărul de straturi intermediare de cupru poate fi diferit de compuși în care numărul de straturi de CuO 2 ajunge la 5. Prezența oxigenului joacă un rol semnificativ; mecanism de supraconductivitate. Rezultatele numeroaselor experimente arată că planurile cu oxigen sunt obiectul principal în rețeaua cristalografică, care sunt responsabile atât de conductivitatea acestor compuși de oxizi, cât și de apariția supraconductivității în ei la temperaturi ridicate.

HTSC-urile sunt reprezentanți tipici ai supraconductorilor de tip II cu un raport foarte mare dintre lungimea Londrei și lungimea coerenței - de ordinul a câteva sute. Prin urmare câmpul magnetic H c 2 are o valoare foarte mare, în special pentru Bi 2212 este de aproximativ 400 T, și H c 1 egal cu câteva sute de oersted (în funcție de orientarea câmpului față de cristal).

Majoritatea HTSC-urilor se caracterizează printr-o anizotropie puternică, ceea ce duce, în special, la o natură foarte neobișnuită a dependenței momentului magnetic al acestor substanțe de intensitatea câmpului dacă acesta este înclinat față de principalele axe cristalografice. Esența efectului este că, datorită anizotropiei semnificative, este inițial mai favorabil energetic ca liniile de vortex să fie situate între straturile de CuO 2 și abia apoi, după o anumită valoare a câmpului, să înceapă să pătrundă în aceste planuri.

Tehnica experimentală Măsurarea proprietăților magnetice și Tc ale supraconductorilor

Tehnica utilizată pentru măsurarea proprietăților magnetice ale supraconductorilor nu diferă în principiu de cea folosită pentru măsurarea substanțelor magnetice obișnuite, cum ar fi feromagneții, cu excepția faptului că trebuie să poată funcționa la temperaturi foarte scăzute. Metodele experimentale pot fi împărțite în două grupe: cele în care fluxul magnetic ÎN măsurate în probă și cele în care se măsoară magnetizarea probei eu(Fig. 23). Fiecare dintre aceste metode oferă informații complete despre proprietățile magnetice ale probei, dar, în funcție de circumstanțe, puteți alege una sau alta dintre ele. Pentru măsurători magnetice se utilizează o varietate de echipamente cu grade diferite de complexitate în funcție de sensibilitate, grad de automatizare etc. Totuși, toată această tehnologie se bazează pe metode simple, una dintre care ne vom concentra acum.

Astăzi am văzut acest comentariu și discuția de sub el. Având în vedere că azi am fost la producția de cabluri supraconductoare, am vrut să introduc câteva comentarii, dar numai de citit... Drept urmare, m-am hotărât să scriu un scurt articol despre supraconductorii de temperatură înaltă.

Pentru început, pentru orice eventualitate, aș dori să remarc că termenul „superconductor de temperatură înaltă” înseamnă în sine supraconductori cu o temperatură critică peste 77 K (-196 ° C) - punctul de fierbere al azotului lichid ieftin. Acestea includ adesea supraconductori cu o temperatură critică de aproximativ 35 K, deoarece Aceasta a fost temperatura primului cuprat supraconductor La 2-x Ba x CuO 4 (o substanță cu compoziție variabilă, deci x). Acestea. Temperaturile „înalte” aici sunt încă foarte scăzute.

Sunt folosiți pe scară largă doi supraconductori de înaltă temperatură - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) și Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Se folosesc și materiale similare cu YBCO, în care ytriul este înlocuit cu un alt element de pământ rar, de exemplu gadoliniu, denumirea lor generală este ReBCO.
YBCO produs și alte ReBCO au o temperatură critică de 90-95 K. BSCCO produs atinge o temperatură critică de 108 K.

Pe lângă temperatura critică ridicată, ReBCO și BSCCO se disting prin valori mari ale câmpului magnetic critic (în heliu lichid - mai mult de 100 T) și curent critic. Cu toate acestea, cu acesta din urmă totul nu este atât de simplu...

Într-un supraconductor, electronii nu se mișcă independent, ci în perechi (perechi Cooper). Dacă dorim ca curentul să treacă de la un supraconductor la altul, atunci decalajul dintre ele trebuie să fie mai mic decât dimensiunea caracteristică a acestei perechi. Pentru metale și aliaje, această dimensiune este de zeci sau chiar sute de nanometri. Dar în YBCO și BSCCO este doar câțiva nanometri și fracțiuni de nanometru, în funcție de direcția de mișcare. Chiar și golurile dintre granulele individuale ale unui policristal se dovedesc a fi un obstacol destul de vizibil, ca să nu mai vorbim de golurile dintre bucățile individuale ale unui supraconductor. Ca rezultat, ceramica supraconductoare, cu excepția cazului în care sunt luate trucuri speciale, sunt capabile să treacă doar un curent relativ mic prin ele însele.

Cel mai simplu mod de a rezolva problema a fost în BSCCO: boabele sale au în mod natural margini netede, iar cea mai simplă compresie mecanică permite ca aceste boabe să fie comandate pentru a obține o valoare critică ridicată a curentului. Acest lucru a făcut posibilă crearea rapidă și ușoară a primei generații de cabluri supraconductoare de înaltă temperatură, sau mai degrabă, benzi supraconductoare de înaltă temperatură. Sunt o matrice de argint care conține multe tuburi subțiri umplute cu BSCCO. Această matrice este aplatizată, iar boabele supraconductorului capătă ordinea dorită. Obținem o bandă flexibilă subțire care conține multe miezuri supraconductoare plate individuale.

Din păcate, materialul BSCCO este departe de a fi ideal: curentul său critic scade foarte repede odată cu creșterea câmpului magnetic extern. Câmpul său magnetic critic este destul de mare, dar cu mult înainte de a atinge această limită, își pierde capacitatea de a trece curenții mari. Acest lucru a limitat foarte mult utilizarea benzilor supraconductoare de înaltă temperatură, acestea nu puteau înlocui vechile aliaje niobiu-titan și niobiu-staniu care funcționează în heliu lichid.

ReBCO este o chestiune complet diferită. Dar crearea orientării corecte a cerealelor în ea este foarte dificilă. Abia relativ recent au învățat să facă benzi supraconductoare pe baza acestui material. Astfel de benzi, numite a doua generație, sunt produse prin pulverizarea unui material supraconductor pe un substrat care are o textură specială care specifică direcția de creștere a cristalului. Textura, după cum ați putea ghici, are dimensiuni nanometrice, deci aceasta este o adevărată nanotehnologie. În compania SuperOx din Moscova, unde eram de fapt, pentru a obține o astfel de structură, cinci straturi intermediare sunt pulverizate pe un substrat metalic, dintre care unul este pulverizat simultan cu un flux de ioni rapizi incidenti la un anumit unghi. Ca urmare, cristalele acestui strat cresc doar într-o singură direcție, în care este cel mai dificil pentru ionii să le pulverizeze. Alți producători, dintre care există patru în lume, pot folosi alte tehnologii. Apropo, benzile domestice folosesc gadoliniu în loc de ytriu, se dovedește a fi mai avansate din punct de vedere tehnologic.

Benzile supraconductoare de a doua generație cu o lățime de 12 mm și o grosime de 0,1 mm în azot lichid în absența unui câmp magnetic extern trec un curent de până la 500 A. Într-un câmp magnetic extern de 1 T, curentul critic încă ajunge la 100 A, iar la 5 T - până la 5 A Dacă răciți banda la temperatura hidrogenului lichid (aliajele de niobiu la această temperatură nici măcar nu intră în starea supraconductoare), atunci aceeași bandă va putea trece de 500. A într-un câmp de 8 T, iar „unii” 200-300 A într-un câmp de 8 T. nivel de câteva zeci de Tesla (broasca zboară). Nu e nevoie să vorbim despre heliu lichid: există proiecte de magneți pe aceste benzi cu un câmp la un nivel de 100 Tesla! Adevărat, aici se pune problema rezistenței mecanice în plină forță: câmpul magnetic tinde întotdeauna să spargă electromagnetul, dar când acest câmp ajunge la zeci de tesla, aspirațiile sale sunt ușor de realizat...

Cu toate acestea, toate aceste tehnologii excelente nu rezolvă problema conectării a două bucăți de supraconductor: deși cristalele sunt orientate într-o singură direcție, nu se vorbește despre lustruirea suprafeței exterioare până la o rugozitate de dimensiunea subnanometrului. Coreenii au o tehnologie de sinterizare a benzilor individuale între ele, dar este totuși, ca să spunem ușor, departe de a fi perfectă. În mod obișnuit, benzile sunt conectate între ele prin lipire convențională folosind lipire convențională de staniu-plumb sau o altă metodă clasică. Desigur, în acest caz, la contact apare o rezistență finită, așa că nu este posibil să se creeze un magnet supraconductor din astfel de benzi care nu necesită energie de mulți ani și pur și simplu o linie de alimentare cu pierderi exact zero. Dar rezistența de contact este de mici fracțiuni de microohm, așa că, chiar și la curent de 500 A, doar fracțiuni de miliwatt sunt eliberate acolo.

Desigur, într-un articol științific popular, cititorul caută mai mult divertisment... Iată câteva videoclipuri cu experimentele mele cu bandă supraconductoare de a doua generație la temperatură înaltă:

Ultimul videoclip a fost înregistrat sub impresia unui comentariu pe YouTube, în care autorul a susținut că supraconductibilitatea nu există, iar levitația unui magnet este un efect complet independent, invitând pe toată lumea să-și verifice corectitudinea prin măsurarea directă a rezistenței. După cum vedem, supraconductivitatea încă există.

LINII DE CABLU DC SUPERCONDUCTIVE LA TEMPERATURĂ ÎNALTĂ – UN PAS CĂTRE REȚELE DE ALIMENTARE INTELIGENTE

V.E. Sytnikov, doctor în inginerie, SA „NTC FSK EES”
TELEVIZOR. Ryabin, director adjunct în SA „NTC FSK EES”
D.V. Sorokin, candidat la inginerie, SA „NTC FSK EES”

Cuvinte cheie: cabluri supraconductoare; rețea de alimentare, curent critic, criogenie.

Industria electrică a secolului XXI ar trebui să asigure o eficiență ridicată a generării, transportului și utilizării energiei. Acest lucru poate fi realizat cu cerințe mai mari de gestionare a sistemului energetic, precum și pentru parametrii ecologici și de economisire a resurselor în toate etapele de producere și distribuție a energiei electrice. Utilizarea tehnologiilor supraconductoare permite atingerea unui nou nivel intelectual calitativ de funcționare a acestei industrii. PAO FSK EES a implementat programul de cercetare și dezvoltare care include dezvoltarea liniilor de cablu AC și DC supraconductoare de înaltă temperatură (denumite în continuare HTSC CL).

Descriere:

Industria energiei electrice a secolului XXI trebuie să asigure o eficiență ridicată în producerea, transportul și consumul de energie. Acest lucru poate fi realizat prin creșterea cerințelor pentru controlabilitatea sistemului de energie, precum și pentru caracteristicile de mediu și de economisire a resurselor în toate etapele producției și distribuției de energie electrică. Utilizarea tehnologiilor supraconductoare ne permite să trecem la un nivel intelectual calitativ nou de funcționare a acestei industrii. PJSC FGC UES a adoptat un program de cercetare și dezvoltare, inclusiv crearea de linii de cabluri supraconductoare de înaltă temperatură (denumite în continuare HTSC CL) pentru curent alternativ și continuu

V. E. Sytnikov, Doctor în Inginerie. Științe, director științific adjunct, SA „STC FGC UES”

T. V. Ryabin, director general adjunct, SA „STC FGC UES”;

D. V. Sorokin, Ph.D. tehnologie. Științe, șef al Centrului de Cercetare și Dezvoltare a Sistemelor al IES AAS, SA „STC FGC UES”

Industria energiei electrice a secolului XXI trebuie să asigure o eficiență ridicată în producerea, transportul și consumul de energie. Acest lucru poate fi realizat prin creșterea cerințelor pentru controlabilitatea sistemului de energie, precum și pentru caracteristicile de mediu și de economisire a resurselor în toate etapele producției și distribuției de energie electrică. Utilizarea tehnologiilor supraconductoare ne permite să trecem la un nivel intelectual calitativ nou de funcționare a acestei industrii. PJSC FGC UES a adoptat un program de cercetare și dezvoltare, inclusiv crearea de linii de cablu supraconductoare de înaltă temperatură (denumite în continuare HTSC CL) pentru curent alternativ și continuu 1 .

În majoritatea țărilor industrializate ale lumii, este în curs de desfășurare cercetare și dezvoltare intensivă de noi tipuri de dispozitive electrice bazate pe supraconductori. Interesul pentru aceste dezvoltări a crescut în special în ultimii ani datorită descoperirii supraconductoarelor de înaltă temperatură (denumite în continuare HTSC), care nu necesită dispozitive de răcire complexe și costisitoare.

Perspective pentru introducerea cablurilor supraconductoare

Cablurile supraconductoare de putere sunt cea mai dezvoltată și avansată metodă de utilizare a supraconductivității în industria energiei electrice în prezent. Principalele avantaje ale cablurilor supraconductoare sunt:

• eficiență ridicată datorită pierderilor reduse de energie în supraconductor;
• posibilitatea de a înlocui cablul existent cu un cablu cu putere de transmisie mai mare cu aceleași dimensiuni;
• greutate redusă datorită materialului mai puțin utilizat;
• creșterea ciclului de viață al cablului ca urmare a încetinirii procesului de îmbătrânire a izolației;
• impedanță scăzută și lungime critică mare;
• absența câmpurilor parazite electromagnetice și termice, respectarea mediului și siguranță la incendiu;
• capacitatea de a transmite puteri mari la tensiune relativ scăzută.

HTSC CL pentru curent continuu și alternativ este o dezvoltare inovatoare care permite rezolvarea unei părți semnificative a problemelor rețelelor electrice. Cu toate acestea, atunci când se utilizează HTSC DC CL, linia devine un element controlat al rețelei, reglând fluxul de energie transmisă până la inversarea transmisiei. Liniile HTSC DC au o serie de avantaje suplimentare în comparație cu liniile AC:

• limitarea curenților de scurtcircuit, ceea ce face posibilă conectarea sectoarelor individuale ale sistemului de alimentare pe partea joasă fără a crește curenții de scurtcircuit;
• creșterea stabilității rețelei și prevenirea întreruperilor în cascadă ale consumatorilor prin redundanță reciprocă a districtelor energetice;
• reglarea distribuției fluxului de putere în linii paralele;
• transmisie de putere cu pierderi minime în cablu și, ca urmare, cerințe reduse pentru sistemul criogenic;
• posibilitatea de comunicare a sistemelor de alimentare nesincronizate.

În rețelele electrice, este posibil să se creeze un circuit folosind atât linii HTSC AC cât și DC. Ambele sisteme au aplicațiile lor preferate, iar în cele din urmă alegerea este determinată atât de considerente tehnice, cât și economice.

Inserții supraconductoare între substațiile din megaorașe

Rețelele energetice ale megaorașelor sunt o structură în curs de dezvoltare dinamică care are următoarele caracteristici:

• creșterea rapidă a consumului de energie, care depășește de obicei rata medie de creștere a consumului în întreaga țară;
• densitate mare de energie;
• prezența zonelor cu deficit de energie;
• un grad ridicat de ramificare a rețelelor de distribuție electrică, care se datorează necesității dublării multiple a liniilor de alimentare cu energie către consumatori;
• secţionarea reţelei electrice pentru reducerea curenţilor de scurtcircuit.

Toți acești factori determină principalele probleme în rețelele de aglomerare urbană:

• nivel ridicat de pierderi de energie electrică în rețelele de distribuție;
• niveluri ridicate ale curenților de scurtcircuit, ale căror valori depășesc în unele cazuri capacitatea de întrerupere a echipamentelor de comutare;
• nivel scăzut de controlabilitate.

În același timp, încărcarea substațiilor din oraș este foarte inegală. În multe cazuri, transformatoarele substațiilor sunt încărcate doar în proporție de 30-60%. De regulă, substațiile cu intrare adâncă din orașe sunt alimentate prin linii separate de înaltă tensiune. Conectarea substațiilor pe partea de medie tensiune poate asigura redundanță reciprocă între districtele energetice și poate elibera capacitatea transformatoarelor de rezervă, ceea ce va duce în cele din urmă la o reducere a pierderilor de energie în rețea. În plus, acest tip de conexiune permite ca capacitatea eliberată să fie utilizată pentru a conecta sarcini suplimentare fără a fi nevoie să pună în funcțiune noi transformatoare sau să construiască noi substații și linii electrice.

Dacă există o inserție (Fig. 1), trei transformatoare vor furniza energie electrică consumatorilor conectați la o sarcină de cel mult 80%. Cel de-al patrulea transformator și linia sa de alimentare pot fi plasate în rezervă de funcționare, ceea ce va duce la o reducere a pierderilor de energie. De asemenea, pot fi folosite pentru a conecta consumatori suplimentari. O astfel de inserție poate fi realizată atât folosind tehnologii tradiționale, cât și folosind linii de cablu supraconductoare.

Poza 1.

Principala problemă la implementarea unei astfel de scheme este faptul că conectarea directă a substațiilor va duce la o creștere semnificativă a curentului de scurtcircuit. Acest circuit va deveni operațional numai dacă inserția îndeplinește două funcții: transmiterea puterii și limitarea curenților de scurtcircuit. În consecință, atunci când transmit fluxuri mari de energie la tensiunea de distribuție, liniile supraconductoare au avantaje incontestabile.

Rezolvarea problemei creării unei inserții promite perspective mari de îmbunătățire a sistemelor de alimentare cu energie electrică a megaloților. În prezent, în lume sunt implementate trei mari proiecte științifice cu scopul de a transmite putere mare la medie tensiune între două substații, limitând simultan curenții de scurtcircuit: proiectul HYDRA, New York, SUA; Proiectul AmpaCity, Essen, Germania 2 ; proiect „Sankt Petersburg”, Rusia. Să aruncăm o privire mai atentă asupra ultimului proiect.

Rusă HTSC DC CL

Scopul proiectului de la Sankt Petersburg este dezvoltarea și instalarea unei linii superconductoare de curent continuu de 50 MW între două substații ale orașului pentru a crește fiabilitatea alimentării cu energie electrică a consumatorilor și a limita curentul de scurtcircuit în rețeaua orașului din Capitala de Nord. Proiectul presupune montarea de linii de cablu între stația de 330/20 kV „Central” și stația de 220/20 kV RP 9 (Fig. 2). Linia DC supraconductoare va conecta cele două substații pe partea de medie tensiune de 20 kV. Lungimea liniei este de 2.500 m, iar puterea transmisă este de 50 MW. În proiectul de la Sankt Petersburg, funcțiile de transmisie a puterii și limitarea curentului de scurtcircuit sunt împărțite între cablu și convertoare atunci când sunt configurate corespunzător. Un cablu DC supraconductor, spre deosebire de un cablu AC, nu are pierderi de energie, ceea ce reduce semnificativ cerințele de putere ale unei instalații criogenice. Cu toate acestea, cu această schemă, în convertoare apar pierderi suplimentare de energie. Linia DC este un element activ al rețelei și vă permite să controlați fluxurile de energie în liniile adiacente atât în ​​direcție, cât și în ceea ce privește puterea de transmisie.

Impactul proiectului asupra modurilor electrice

În districtul energetic al stației de 330 kV „Tsentralnaya” și al stației de 220 kV RP 9 (denumită în continuare Tsentralnaya/RP 9), pot apărea o serie de condiții post-urgență din cauza opririi de urgență a liniilor electrice și asociate cu întreruperi. de alimentare cu energie a consumatorilor (alocarea raioanelor energetice la sarcini izolate).

Calculele au arătat că rezervarea alimentării consumatorilor prin construirea și punerea în funcțiune a unei linii electrice de curent alternativ (cablu tradițional sau linie electrică aeriană) Central/RP 9 este imposibilă, deoarece acest lucru crește severitatea condițiilor post-urgență. Acest lucru poate fi evitat prin punerea în funcțiune a transmisiei DC controlate cu HTSC DC CL.

Controlul mărimii și direcției fluxului de putere a DC HTSC CL face posibilă, de asemenea:

• reducerea pierderilor de putere activă în rețelele electrice (datorită redistribuirii și eliminării fluxurilor de energie de tranzit);
• conectarea de noi consumatori pe baza infrastructurii de rețea electrică existentă (prin redistribuirea fluxurilor de energie și eliminarea supraîncărcărilor curente ale rețelelor electrice în modurile normale de funcționare și post-urgență ale sistemelor de energie).

Impactul proiectului asupra nivelului curenților de scurtcircuit

S-au efectuat calcule ale curenților de scurtcircuit 3 pentru cazul introducerii în circuit a unei linii tradiționale de cablu AC, precum și a liniilor de cablu HTSC DC. Pe baza rezultatelor calculului (Tabelul 1), ajungem la concluzia că includerea liniei de cablu Central/RP 9 AC în schema de alimentare cu energie electrică din Sankt Petersburg conduce la o creștere a valorii curentului de scurtcircuit peste nivelul curentului nominal de declanșare al comutatoarelor. Aceasta înseamnă că va fi necesară implementarea unor măsuri suplimentare de limitare a curentului sau înlocuirea dispozitivelor de comutare la substații. Utilizarea liniilor de cablu DC HSTP (Tabelul 3) nu duce la o creștere a curenților de scurtcircuit în sistemul de alimentare.

tabelul 1 Rezultatele calculului curenților de scurtcircuit

Denumiri: eu 3 – curent de scurtcircuit trifazat; eu 1 – curent de scurtcircuit monofazat; eu oprit – curentul nominal de comutare al comutatoarelor (adoptat pe baza stării comutatoarelor substațiilor la nivelul 2014).

Estimarea pierderilor de energie în liniile supraconductoare

În liniile de curent alternativ de medie tensiune se produc pierderi de energie electrică în cablu însuși, izolație electrică și intrări de curent. Într-o linie de curent continuu nu există pierderi de energie în cablu și izolație, dar acestea există în dispozitivele de conversie și intrările de curent. În plus, sistemul criogenic consumă energie electrică pentru a compensa toate fluxurile de căldură în zona rece și pentru a pompa agentul frigorific pe tot parcursul traseului.

Pentru o linie AC de medie tensiune trifazată cu o putere transmisă de 100 MVA, pierderile de energie pe fază sunt suma următoarelor valori:

• pierderi electromagnetice în miezul cablului – 1,0–1,5 W/m;
• flux de căldură prin criostat – 1,5 W/m;
• afluxuri de căldură prin cablurile de curent – ​​(200–300 W) x 2;
• pierderea de energie în izolație este de aproximativ 0,1 W/m.

Intrările totale de căldură în zona rece cu o lungime a liniei trifazate de 10 km va fi de 78,5–93,5 kW. Înmulțirea acestei valori cu un coeficient de refrigerare tipic de 20 are ca rezultat 1,57–1,87 MVA, sau mai puțin de 2% din puterea transmisă.

Pentru o linie de curent continuu similară, fluxul de căldură în zona rece este limitat doar de fluxul de căldură prin criostat și cablurile de curent. Atunci pierderea totală de energie într-un cablu de 10 km, ținând cont de sistemul criogenic, va fi de 0,31 MVA, sau 0,31% din puterea transmisă.

Pentru a estima pierderile totale în linia de curent continuu, pierderile din convertoare trebuie adăugate - 2% din puterea transmisă. Pierderile finale într-o linie de cablu DC HTSC de 10 km lungime pentru o putere transmisă de 100 MW sunt estimate a nu mai mult de 2,5% din puterea transmisă.

Estimările de mai sus arată că pierderile de energie în liniile de cablu supraconductoare sunt semnificativ mai mici decât în ​​liniile de cablu tradiționale. Pe măsură ce puterea transmisă crește, procentul pierderilor de energie scade. Cu nivelul actual de performanță a materialelor, este posibilă transmisia de energie de 150–300 MW la 20 kV și până la 1.000 MW la 110 kV.

Posibilitati de implementare

Testele de succes ale HTSC CL cu curenți continui și alternativi au demonstrat eficiența ridicată a liniilor supraconductoare.

Unul dintre principalele avantaje ale liniilor de cablu supraconductoare este capacitatea de a transmite fluxuri mari de energie (sute de megawați) la tensiunea de distribuție. Este recomandabil să luați în considerare aceste noi oportunități și să le folosiți atunci când proiectați sau reconstruiți radical instalațiile de rețea.

De exemplu, la reconstruirea/crearea sistemului energetic din Noua Moscova, ar fi recomandabil să se prevadă crearea de linii superconductoare longitudinale puternice și să se conecteze mai multe substații puternice într-o structură inelară cu linii superconductoare de curent continuu pe partea de medie tensiune. Acest lucru va îmbunătăți semnificativ eficiența energetică a rețelei, va reduce numărul de stații de bază, va asigura o controlabilitate ridicată a fluxurilor de energie și, în cele din urmă, va crește fiabilitatea aprovizionării cu energie către consumatori. O astfel de rețea ar putea deveni un adevărat prototip al rețelei inteligente a viitorului.

Literatură

1. Glebov I. A., Chernoplekov N. A., Altov V. A. Tehnologii supraconductoare - o nouă etapă în dezvoltarea ingineriei electrice și a energiei // Superconductivitate: cercetare și dezvoltare. 2002. Nr. 41.
2. Sytnikov V. E. Cabluri supraconductoare și perspective pentru utilizarea lor în sistemele energetice ale secolului 21 // Supraconductivitate: cercetare și dezvoltare. 2011. Nr. 15.
3. EPRI. Superconducting Power Equipment Technology Watch 2012. Palo Alto, CA, SUA, 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 transmisie de curent continuu ca element al „rețelei inteligente” a orașelor mari. Proceedings of the 1st National Conference on Applied Superconductivity. M.: Centrul Național de Cercetare „Institutul Kurchatov”, 2013.
6. Kopylov S., Sytnikov V., Bemert S. et. al. // Journal Physics.: Conferinţă. Serie. 2014. V. 507. Str. 032047.
7. Volkov E. P., Vysotsky V. S., Karpyshev A. V., Kostyuk V. V., Sytnikov V. E., Firsov V. P. Crearea primului cablu supraconductor din Rusia folosind fenomenul de supraconductivitate la temperatură înaltă. Culegere de articole ale Academiei Ruse de Științe „Tehnologii inovatoare în sectorul energetic”, ed. E. P. Volkov și V. V. Kostyuk. M.: Nauka, 2010.

1 Articolul se concentrează pe rezultatele testelor și perspectivele pentru introducerea pe scară largă a liniilor de cablu HTSC DC în industria energetică.

2 1. Proiectul HYDRA, New York, SUA. Scopul proiectului este de a dezvolta și instala o linie de cablu AC supraconductor între două substații din orașul New York. Linia trebuie să asigure comunicații de mare capacitate (96 MVA) între stațiile de pe partea secundară a transformatoarelor (13,8 kV). Sistemul de cablu va avea capacitatea de a limita curentul de scurtcircuit datorită tranziției rapide a benzilor HTSC de a doua generație la starea de conducție normală. Acest lucru asigură o valoare scăzută a rezistenței liniei în modul nominal (starea supraconductivă a liniei) și o tranziție la o stare de rezistență ridicată în timpul supraîncărcării curentului.
Proiectul HYDRA combină funcțiile de transmisie a puterii mari și de limitare a curentului într-un singur dispozitiv - un cablu supraconductor special conceput. Acest lucru face extrem de dificilă optimizarea cablului în funcție de posibilele condiții de rețea, condițiile de răcire și rutarea cablului. În plus, soluțiile tehnice dezvoltate pentru un proiect nu pot fi replicate pentru alții din cauza condițiilor de funcționare și a condițiilor de pozare diferite și, prin urmare, a condițiilor de răcire pentru cablu, care trebuie să treacă periodic de la o stare supraconductivă la una normal conducătoare.
2. Proiect AmpaCity, Essen, Germania. Scopul proiectului este dezvoltarea și instalarea unei transmisii AC supraconductoare de 40 MVA între două substații ale orașului. Transmisia constă dintr-un cablu supraconductor lung de 1.000 m și un limitator de curent de 10 kV conectat în serie. Această transmisie conectează cele două substații de 110/10 kV Herkules și Dellbrugge din centrul orașului Essen. Implementarea proiectului va permite scoaterea din funcțiune a unui transformator de 40 MVA și a unei linii de 110 kV.
În proiectul AmpaCity, funcțiile de transfer de putere și limitarea curentului de scurtcircuit sunt împărțite între cablu și limitatorul de curent. Acest lucru simplifică sarcina de proiectare a fiecărui dispozitiv și permite fabricarea cablului cu un grad ridicat de stabilizare, ceea ce nu este posibil în proiectul HYDRA. Desigur, este necesar să se coordoneze caracteristicile cablului și limitatorul de curent, dar aceasta nu este o sarcină dificilă, iar soluțiile tehnice dezvoltate în timpul implementării proiectului pot fi replicate la dezvoltarea altor linii cu parametri similari.

3 Calculele au fost efectuate pe baza aplicării schemei prospective a sistemului energetic din Sankt Petersburg și regiunea Leningrad pentru 2020.