Недавно к нам в компанию поступил запрос из Московского Государственного Технического Университете Радиотехники Электроники и Автоматики (МИРЭА) на поставку ВТСП-провода для экспериментов по левитации сверхпроводящих колец (сверхпроводящей ленты второго поколения на основе высокотемпературных сверхпроводников)!!! К сожалению, мы не смогли выполнить эту поставку, но заинтересовавшись темой раскопали следующую информацию (возможно это завтрашний день поставщиков кабельной продукции):
Развитие ВТСП-лент второго поколения в России
НЕ НА ПРАВАХ РЕКЛАМЫ (просто важная информация, потому что в России такие изделия пока что еще только разрабатываются, но не продаются) :)
Инновационные электротехнические материалы — сверхпроводящие ленты второго поколения на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП-провода 2-го поколения) — способны в будущем коренным образом изменить облик электроэнергетики. Эти материалы представляют собой многослойные наноструктурированные оксидные покрытия на металлических лентах. Они могут найти широкое применение при разработке новых кабелей, токоограничителей, трансформаторов, моторов, генераторов, накопителей энергии и других видов электроэнергетического оборудования, в котором используется явление сверхпроводимости. В России созданием этой технологии занимается компания «СуперОкс», основанная в 2006 г. Компания ставит своей целью разработку технологии и создание отечественного производства ВТСП-лент 2-го поколения. Технология производства таких лент состоит из нескольких последовательных этапов: получение металлической ленты-подложки, осаждение буферных слоев, осаждение главного функционального слоя — сверхпроводника, покрытие защитным и стабилизирующим слоями металлов. Используя холоднокатаную металлическую ленту заводского производства, компания «СуперОкс» обеспечивает весь дальнейший технологический цикл производства на оборудовании собственной разработки с использованием реагентов, производимых в компании. Всё изготовленное оборудование является оригинальным и основано на накопленном за годы работы ноу-хау. Все технологические аппараты снабжены устройствами непрерывной лентопротяжки, что позволяет уже сейчас воспроизводимо получать образцы значительной длины (десятки и сотни метров).
Недавно российскими учеными был преодолен важный рубеж: на коротких образцах ВТСП-лент сантиметровой ширины при 77К был получен критический ток, превышающий 100 А.
Данные основаны на результатах измерений магнитной восприимчивости (МГУ) и намагниченности (ВЭИ). Измерения транспортного тока на ряде образцов, проведенные в России и за рубежом, подтвердили результаты магнитных измерений (см. иллюстрации слева).
Информация из ВНИИКП
До недавних пор были доступны только сверхпроводящие провода и кабели на основе Nb-Ti и Nb3Sn. Их производство, начиная с конца 60-х годов, было налажено в СССР, США, ФРГ, Японии и некоторых других развитых странах. Из проводов Nb-Ti на промышленной основе изготовливают обмотки мощных магнитов для магниторезонансных томографов с индуктивностью поля от 0.2 до 4 Тл. Из Nb-Ti проводов изготовлены дипольные магниты Большого Адронного Коллайдера, который расположен вблизи Женевы. Магниты этого гигантского сооружения (периметр 26.6 км) будут обеспечивать индукцию до 8.5 Тл при рабочей температуре 1.9 К. Для их изготовления в период с 1999 по 2005 годы промышленность поставила более 7000 км, или около 1700 тонн, Nb-Ti провода. При изготовлении сверхмощных соленоидов международного термоядерного реактора ИТЭР в Кадараше (Франция) будут использованы как провода из Nb-Ti, так и из Nb3Sn. Максимальная магнитная индукция внутри ИТЭР должна составить 12.0 Тл, а общий вес СП кабелей - 6540 тонн. Строительство ИТЭР началось в 2008-м году. В рамках вклада России в разработку ВНИИКП ответственно за производство сверхпроводящего кабеля для обмотки.
Низкотемпературные сверхпроводники
Благодаря достаточно высокой критической плотности тока, пластичности, а также относительно низкой стоимости проводники на основе ниобий - титановых сплавов доминируют на мировом рынке сверхпроводящих материалов. Они являются истинной «рабочей лошадкой» технической сверхпроводимости в продолжение нескольких десятилетий. Они используются в единственном на сегодняшний день массовом промышленном применении сверхпроводимости – в магниторезонансных томографах для медицины.
Сплавы системы Nb-Тi имеют максимальное значение верхнего критического поля ~ 11 Тл и критическую температуру ~ 9,85К. Как правило, Nb-Ti сверхпроводники используют в полях 1-8 Тл при температуре 4,2-4,5К. Для промышленного изготовления Nb-Ti сверхпроводников выбран сплав Nb-46-48,5 масс.% Ti.
Композиционная проволока на основе Nb-Ti сплава представляет собой композит, содержащий Nb-Ti волокна, распределенные в матрице из высокочистой меди или резистивного сплава на базе меди. Помимо этого, в состав композита могут входить и другие материалы, используемые в качестве диффузионных и резистивных барьеров (Nb, Cu-Ni, Cu-Mn). Единичные проволоки круглого или прямоугольного сечения используются для изготовления сверхпроводящих кабелей различного назначения. Сверхпроводящие композиционные проволоки разработаны во ВНИИКП.
Различные типы сверхпроводящих проводов на основе сплава Nb-Ti
Для практического применения в электроэнергетике и электротехнике представляют интерес и многоволоконные сверхпроводники на основе интерметаллического соединения Nb3Sn. Эти материалы по сравнению с композитными сверхпроводниками на основе системы Nb-Ti имеют более высокую критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние, составляющую ≈ 18,6К и способны работать в более высоких магнитных полях с индукцией до 20-24 Тл.
Конструкции композиционных сверхпроводников на основе Nb3Sn более сложны по сравнению с Nb-Ti сверхпроводниками. Изделия из них, как правило, изготовляются по технологии «намотка-отжиг». В этом случае сначала изготавливается обмотка изделия из не термообработанной проволоки или кабеля, а уже поле этого подвергается высокотемпературному отжигу, в результате которого в проволоках образуется сверхпроводящее интерметаллическое соединение Nb3Sn. Именно таким образом будет изготовлена магнитная система международного термоядерного реактора ИТЭР. Сечение кабеля, разработанного во ВНИИКП, для тороидальной обмотки ИТЭР показано на рисунке.
Сверхпроводящий кабель на основе соединения Nb3Sn для тороидального магнита термоядерного реактора ИТЭР изготовлен во ВНИИКП.
Высокотемпературные сверхпроводники первого и второго поколений
Открытие в конце 80-х годов сверхпроводимости в сложных оксидах меди существенно повысило шансы СП на широкое применение. За новыми материалами закрепилось название высокотемпературные сверхпроводники, ВТСП. Рекордная температура перехода в СП состояние на настоящий момент измерена для соединения состава HgBa2Ca2Cu3Ox – она составляет чуть более 135 К. В качестве хладагента для этих материалов можно использовать жидкий азот (77 К) или жидкий водород (20 К). Стоимость криооборудования и его энергопотребление для охлаждения ВТСП во много раз меньше, чем для низкотемпературных СП.
В настоящее время в развитых странах (США, Европа, Япония) и ряде развивающихся стран (Китай, Ю.Корея) происходит переход от этапа НИОКР к созданию достаточно крупных промышленных производств технических сверхпроводников на основе ВТСП и их опробованию при создании ряда модельных устройств криогенной электротехники – силовых кабелей, токовводов, токоограничителей, трансформаторов, двигателей и генераторов, магнитных систем и пр.
В настоящее время известны десятки оксидных соединений, демонстрирующих сверхпроводимость при температурах выше 77 К. Выбор перспективных ВТСП-материалов основан на учёте большого количества факторов и температура перехода в СП состояние обычно не является главным из них. Некоторые ВТСП с хорошими свойствами весьма сложны с точки зрения технологии их производства, содержат летучие и токсичные компоненты (ртуть, таллий). В результате, основой для технологии ВТСП-лент после 20 лет поиска стали лишь два соединения: (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox (сокращенно BSCCO или 2223, Tc 105-120К) и YBa2Cu3O7 (YBCO или 123, Tc = 90-92К).
Но, пожалуй, самым важным фактором в технологии ВТСП-проводов является "врождённая" анизотропия этих материалов. Непременным структурным признаком всех оксидных ВТСП являются атомные слои состава CuO2, они отвечают за появление сверхпроводимости и наибольший ток течет параллельно именно этим слоям. Данное обстоятельство определяет особенности технологии ВТСП-проводов: для достижения высоких характеристик зерна материала должны быть ориентированы по возможности одинаково, т.е. ВТСП должен обладать текстурой. Поворот соседних зерен относительно друг друга по углам j или ω на 10-15° понижает значение критического тока на их границе в 10 раз. То есть, материал с несовершенной текстурой оказывается неспособным нести высокие токи, что делает его бесполезным для применений.
Слоистая структура ВТСП состава YBa2Cu3O7 (слева) предопределяет микроструктуру материала: для достижения высоких токонесущих характеристик ВТСП в проводнике должен обладать биаксиальной текстурой.
Пути к созданию проводов из хрупкой оксидной керамики, обладающей к тому же сильной анизотропией, искали довольно долго. Первые успехи связаны с разработкой ВТСП-лент в серебряной оболочке на основе сверхпроводника BSCCO, получившими название лент первого поколения. Несколько позднее появилась технология производства лент 2-го поколения на основе YBCO. И в том, и в другом случае ВТСП-материал обладает достаточно высокой текстурой. Нетрудно заметить, что сечение сверхпроводника составляет лишь малую часть общего сечения провода: в лентах 1-го поколения эта величина обычно не превышает 40%, а в лентах 2-го поколения и того меньше – 5%. В лентах 1-го поколения жилы ВТСП заключены в матрицу из серебра или сплава на его основе. Для создания лент 2-го поколения обычно применяют ленты-подложки (как правило, из сплавов на основе никеля), а ВТСП-жила одна и представляет из себя тонкое покрытие на поверхности ленты. Для предотвращения химического взаимодействия ВТСП и ленты используют так называемый "буферный слой" – ключевое звено в этой технологии. Металлический защитный слой (как правило, из серебра) предохраняет ВТСП от взаимодействия с парами воды и CO2 воздуха, служит защитой от механических повреждений и от прямого контакта ВТСП с шунтирующим материалом (упрочненная медь, нержавеющая сталь).
Сечение ВТСП-лент на основе BSCCO и YBCO.
Приведены типичные линейные размеры провода (в мм).
Наиболее распространены в настоящее время провода шириной около 4 мм.
В настоящее время эти два пути представляют собой конкурирующие направления, причём если технология лент 1-го поколения уже продемонстрировала свой потенциал – получены многие сотни километров провода, созданы и введены в эксплуатацию кабели и устройства, то ВТСП-проводам 2-го поколения пока ещё предстоит найти своё место на рынке прикладной сверхпроводимости. Однако определенные полезные свойства сверхпроводников первого поколения позволили создать уже в настоящее время работающие в реальных энергосетях действующие силовые ВТСП кабели длиной единичного куска до 600 м.
Для справки
Положение дел по этой тематике за границей следующее: ВТСП провода 2-го поколения переходят от пилотной технологии к промышленной
В 2007 году ВТСП провода 2-го поколения (2G) постепенно превратились из объекта для отработки ВТСП технологии в коммерческий продукт. На настоящий момент целый ряд компаний уже перешел от отработки технологии в лабораторных условиях к опытному производству 2G ВТСП. На данный момент американские компании American Superconductor (далее AMSC) и SuperPower обладают полупромышленными установками, способными производить за сутки, соответственно, до 800 и 1200 метров ВТСП ленты шириной 4,4 мм в день (без учета брака). Европейская компания EHTS и японская Fujikura еще не запустили пилотное производство ВТСП лент 2-го поколения, однако, это не мешает им производить заметные объемы ВТСП ленты в лабораторных условиях. Например, для европейского кабельного проекта Super 3C компания EHTS изготовила 4 км ВТСП ленты, что соизмеримо с объемом производства AMSC. В декабре 2006 г. из ВТСП ленты 344S производства AMSC были изготовлены два прототипа токоограничителей устано-вочной мощностью 2 МВА (Siemens) и 8,3 МВА (Hyundai), соответственно. Компания SuperPower поставила Sumitomo 9,7 км ВТСП ленты для осуществления второй фазы проекта ВТСП кабеля в Олбани.
ВТСП провода 2-го поколения представляют собой «бутерброд», в котором на достаточно толстую (от 50 до 120 мкм) подложку нанесена тонкая (менее 3 мкм) пленка ВТСП на основе YBCO. Плотность тока в таких проводах можно поднять, как за счет улучшения свойств ВТСП пленок, так и путем простого увеличения их толщины. Уменьшение толщины подложки также чрезвычайно важно, как для увеличения конструктивной плотности тока в обмотках, так и для достижения высокого удельного сопротивления при минимуме расхода проводника в токоограничителях.
Рекордно высокие величины критических токов получены независимо друг от друга разными компаниями за счет принципиально различных технологических приемов. К сожалению, получить столь высокие результаты на длинномерных лентах пока еще не удалось, если в кусках короче 10 м удается достичь критических токов порядка 400 А/см, то в кусках длинной 100 м критические токи пока находятся на уровне 250 А/см.
Среди всех производителей ВТСП проводов 2-го поколения стоит выделить компании AMSC и Super-Power. Разработанный AMSC специально для токоограничителей ламинированный проводник 344S не имеет аналогов, покрытие из нержавеющей фольги надежно защищает ВТСП слой от механических воздействий и влаги. В 2006 г. SuperPower успешно перешла на подложки толщиной 50 мкм вместо обычных 100 мкм, что позволяет в 1,5 раза поднять конструктивную плотность тока в обмотках и в 2 раза сократить расход ВТСП ленты в токоограничителях. Компания SuperPower до сих пор остается единственным производителем длинномерных (500 м и более) ВТСП проводов 2-го поколения.
На фото в заголовке статьи: микроснимок структуры ВТСП второго поколения.
По материалам сайтов:
www.nanometer.ru
www.vniikp.ru
www.energetics.com/wire07/agenda.html
www.amsuper.com/
www.igc.com/SuperPower/About%20Us.aspx
www.bruker-ehts.com/