XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Сверхпроводимость — уникальное явление природы, которое было открыто в 1911 году голландским ученым Каммерлинг-Оннесом. Некоторые металлы и сплавы при сверхнизких температурах полностью теряют сопротивление. Это сулило неисчерпаемые возможности для применения сверхпроводимости.

Электроэнергетика XXI века должна обеспечивать высокую эффективность выработки, транспортировки и потребления энергии. Этого можно достичь с помощью ресурсосберегающих материалов на всех этапах распределения электроэнергии.

Использование сверхпроводящих каналов позволит перейти на новый интеллектуальный уровень функционирования.

Количество слоев в структуре достигает 10, толщина некоторых из них всего 5 нм. Каждый из слоев несет свою функцию. ВТСП в ленте находится в высокой степени кристаллографической ориентации, то есть слой сверхпроводника является практически монокристаллом. Это обеспечивает крайне высокие токонесущие характеристики, плотность тока в проводе превышает 500 ампер на квадратный миллиметр сечения при температуре жидкого азота и 6000 ампер на квадратный миллиметр при температуре жидкого гелия.

Сверхпроводники предыдущего поколения, до сих пор использующиеся в томографах, ускорителях (например, в Большом адронном коллайдере), обладают сверхпроводящими свойствами только при температуре вблизи абсолютного нуля, для их охлаждения применяют жидкий гелий. Для ВТСП достаточно охлаждения жидким азотом (77 °К). Современные системы охлаждения, криокулеры, легко позволяют достигать таких температур, что обусловило создание в последние годы целого спектра ВТСП-устройств.

Рис. 1 – устройство ВТСП-кабеля[1]

Появление на рынке высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов с высокими токонесущими характеристиками создало принципиально новые возможности для использования этого явления. Основные преимущества силовых ВТСП кабелей: высокая токовая нагрузка, малые потери в сверхпроводнике, экологическая чистота (отсутствие масел, минимальное электромагнитное и тепловое воздействие на окружающую среду), высокий уровень пожарной безопасности.

Именно силовые сверхпроводящие кабели являются наиболее разработанным и продвинутым способом применения сверхпроводимости в электроэнергетике в настоящее время. Основные преимущества сверхпроводящих кабелей:

высокая эффективность в связи с малыми потерями энергии в сверхпроводнике;

возможность замены существующего кабеля на кабель с большей передаваемой мощностью при тех же габаритах;

легкий вес за счет меньшего количества используемого материала;

увеличение жизненного цикла кабеля в результате замедления процессов старения изоляции;

низкий импеданс и большая критическая длина;

отсутствие электромагнитных и тепловых полей рассеяния, экологическая чистота и пожаробезопасность;

возможность передачи больших мощностей при сравнительно низком напряжении.[3]

Максимальная эффективная длина кабеля, обслуживаемая одной криомашиной, — всего 3,5 км. Если нужно передать мощность на большее расстояние, потребуются подпитывающие пункты. Нетрудно догадаться, что подобная система довольно дорога и к тому же энергозатратна. Все-таки 77 K — это -196°С, и для поддержания такого глубокого холода требуется работа мощных компрессоров, а КПД холодильных машин невысок.[5]

На сегодняшний день основные сфер применения сверхпроводимости - это медицинские установки магнитно-резонансной терапии (именно в этих аппаратах впервые удалось эффективно использовать явление) и электроника. К 2020 году ситуация изменится. Сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике.

Человечество стоит на пороге очередного технологического прорыва, способного перевернуть привычный всем мир. Масштабы новой индустриальной революции могут сравнится с тем, как изменился образ жизни людей после обнаружения замечательных свойств полупроводников.

Потенциал пользования сверхпроводников очевиден: снижение потерь электроэнергии, уменьшение в разы размеров генерирующего оборудования и двигателей, создание новых электронных приборов, разработка сверхмощных электромагнитов для научных исследований и промышленности, разработка новых направлений в медицине, использование эффекта левитации на железной дороге.

Литература

News 2 Наука [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://news2.ru/story/564202/– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 14.01.2019)

Сверхпроводящие кабели для линии электропередач [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://www.ruscable.ru/article/Sverxprovodyashhie_kabeli_dlya_linij_1/– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 14.01.2019)

Высокотемпературные сверхпроводящие кабельные линии постоянного тока – шаг к умным электросетям [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=6510– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 14.01.2019)

Сверхпроводящие кабели [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://mirznanii.com/a/122671/sverkhprovodyashchie-kabeli/– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 14.01.2019)

Сверхпроводящие линии передач: как это сделано в России [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://www.popmech.ru/technologies/237432-sverkhprovodyashchie-linii-peredach-kak-eto-sdelano-v-rossii/#part0– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 14.01.2019)

Код для цитирования: Скопировать