EUCAS-2015: Устройства на основе сверхпроводников
2015, Tом 12, выпуск 6
Тематика: Вести с конференций
Первая часть обзора по результатам 12-й Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости (EUCAS-2015) была посвящена обзору современного состояния разработок в области получения высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения (ВТСП-2). Данная часть будет посвящена обзору современного состояния в области создания различных устройств на основе сверхпроводников, в частности ВТСП-2.
Одним из наиболее ярких докладов по разработке и созданию ВТСП токонесущих элементов был доклад, представленный Вилрфридом Голдэкером. Технологический институт Карлсруэ прошел длинный путь по созданию ВТСП токонесущих элементов различных конструкций, таких как Roebel, ConductorOnRoundCoreCables (CORC), а также резерфордовский кабель, скрученный из нескольких кабелей типа Roebel. Конструкции и характеристики различных ВТСП токонесущих элементов представлены на Рис. 1.
Рис. 1. ВТСП токонесущие элементы различных конструкций, разработанные сотрудниками технологического института Карлсруэ.
В докладе кратко описана история создания токонесущих элементов типа Ребель, даны характеристики токонесущих элементов на основе ВТСП-2 лент производства компаний SuperOx и SuperPower. (Рис. 2). На Рис. 3 приведены примеры практического использования токонесущих элементов в ветроэнергетике и магнитных системах для модернизации большого адронного коллайдера. Более подробно разработка и создание ВТСП токонесущих элементов изложены в наших ранних обзорах.
Рис. 2 – Характеристики токонесущих элементов типа Ребель на основе ВТСП-2 лент производства компаний SuperPower и SuperOx.
На пленарном заседании профессор Пингсиан Зан доложил о развитии применения ВТСП в Китае . На сегодняшний день, Китай стремится занять лидирующие позиции в области сверхпроводимости. Основные проекты по созданию ВТСП электротехнического оборудования за 2011-2015 гг. представлены на Рис. 4, среди них несколько проектов ограничителей тока короткого замыкания и кабелей с высокой токонесущей способностью.
Рис. 3. Токонесущий элемент типа Ребель на основе ВТСП-2 лент разработанный для проекта EuCARD2 - перспективный диполь для модернизации БАК.
Рис. 4 Программа по созданию ВТСП электротехнического оборудования в Китае.
Подробные характеристики проложенного на заводе в ЖонгФу ВТСП кабеля постоянного тока на 10 кА длиной 360 м представлены на Рис. 5. В процессе создания кабеля особое внимание было уделено разработке и созданию системы криообеспечения.
Рис. 5 Параметры ВТСП кабеля созданного в Китае
В настоящее время в Китае создана силовая подстанция, включающая в себя ВТСП кабель переменного тока длиной 75 м, ВТСП ограничитель тока короткого замыкания, ВТСП трансформатор и сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии на 10,5 кВ и 1,5 кА. Фото оборудования со схемой сверхпроводящей силовой подстанции представлено на Рис. 6.
Рис. 6. Разработанная в Китае сверхпроводящая силовая подстанция.
Генеральным директором ИТЕР Бернаром Биго был сделан доклад по текущему состоянию проекта. В докладе кратко изложена история создания термоядерных установок в мире, а также истории проекта, рассмотрены основные этапы изготовления компонентов ИТЭР участниками проекта. На сегодняшний день проект ИТЭР вошел в финальную стадию. На 31 августа 2015 года произведено и отправлено в Европу 70% сверхпроводника для полоидальных и тороидальных катушек магнитной системы для удержания плазмы. Японией, Россией и европейскими участниками проекта ведутся работы по созданию каркасов катушек тороидального и полоидального полей. Проводятся работы по разработке и изготовлению ВТСП токовводов с рабочим током 70 кА. Активно идет строительство комплекса, где будет расположен термоядерный реактор и инфраструктура для его обслуживания (Рис. 7).
Райнер Мейнке (Advanced Magnet Lab, Inc USA) доложил о разработке системы радиационной защиты космических аппаратов на основе ВТСП. Высокий уровень радиации, обусловленной заряженными частицами, является главным препятствием для исследования солнечной системы. Поскольку пилотируемые миссии на Марс или к астероидам будут длиться многие месяцы, для снижения уровня дозы радиационного облучения необходима экранировка жилых отсеков космического корабля.
Рис. 7. Строительная площадка ITER (конец августа 2015 года).
Проведен анализ спектра космического излучения, дана оценка риска космической радиации, при которой космонавты будут получать дозу 1-2 мЗв/день. Рассмотрены проекты активной радиационной защиты, отклоняющей заряженные частицы магнитным полем. Обоснован выбор ВТСП проводника для магнитной системы, проведен расчет и разработана конструкция защитного экрана для использования в космических аппаратах с учетом требований по радиационной безопасности и жизнедеятельности человека в космическом аппарате.
Йонас Жмудинас (California Institute of Technology, USA) доложил о разработке и создании детекторов кинетической индукции для астрофизики. В двужидкостной модели, предложенной в 1934 г. Хайнцем Лондоном, ток в сверхпроводнике включает в себя потоки спаренных куперовских пар электронов и нормальных электронов-квазичастиц. Пары не имеют потерь, но обладают инерцией, в то время как нормальные электроны диссипативны. Таким образом, куперовские пары вносят вклад в кинетическую индуктивность, в то время как нормальные электроны вносят вклад в электрическое сопротивление. Поглощение энергии, например, фотонами, приводит к разрушению пар на отдельные квазичастицы, что в свою очередь, приводит к изменениям, как индуктивности, так и сопротивления, которые могут быть с высокой точностью измерены резонирующей схемой. За прошедшие пятнадцать лет эта идея привела к созданию датчиков для астрофизических измерений в широком диапазоне длин волн: от миллиметрового до оптического.
Помимо пленарных докладов на конференции было представлено достаточно много устных докладов: по ВТСП кабелям с высокой токонесущей способностью; сверхпроводниковыми ндуктивным накопителях энергии; ВТСП электрическим машинам; сверхпроводниковым высокополевым магнитам; ВТСП ограничителям тока короткого замыкания; ВТСП трансформаторам; медицинским применениям сверхпроводников и др. Наиболее интересными было несколько приглашенных докладов.
Доклад Франка Мершеля (RWE Deutschland AG, Germany) посвящен текущему статусу проекта Ampacity, начатому в сентябре 2011 г. Целью проекта являлась разработка энергосистемы с рабочим напряжением 10 кВ и мощностью 40 МВА, состоящей из ВТСП ограничителя тока короткого замыкания и ВТСП кабеля длиной в 1 км, проложенного в черте города Эссен, Германия. После предварительных испытаний система была запущена в эксплуатацию, и с марта 2014 г. передает электроэнергию в центр Эссена, Рис. 8.
В докладе Гена Нищиджимы (National Institute for Materials Science, Japan) рассказывается об успешной модернизации магнитной системы ЯМР спектрометра с частотой 920 МГц (21,6 Тл) до 1020 МГц (24 Тл) путем включения во внутреннюю секцию магнита обмотки из Bi-2223 проводника. Модернизация позволила достичь однородности магнитного поля лучше, чем 1 ppm и временной устойчивости лучше, чем 1 ppb за 10 часов.
Рис. 8. ВТСП кабель проекта Ampacity, г. Эссен, Германия.
В докладе Густаво Сермьенто (TECNALIA Inspiring Business, Spain) описывалось создание и испытания магнитной системы для 10 МВт ветрогенератора на основе MgB2 проводника. Доклад Лучио Росси (ЦЕРН, Швейцария) посвящен разработке и созданию ВТСП токонесущего элемента на ток до 10 кА для перспективных ускорительных диполей с полем 20 Тл.
Можно сделать вывод, что благодаря развитию технологии как НТСП, так и ВТСП сверхпроводящих материалов, устройства на их основе найдут широкое применение в электроэнергетике, ускорительной технике и медицине. Значительные средства вкладываются в развитие сверхпроводниковой индустрии в США, Европе и Азии. В разработке находится множество совместных международных проектов. Все это, дает надежду на дальнейшее развитие, как технической, так и фундаментальной сверхпроводимости.
Материал подготовлен на основе презентаций, представленных на конференции EUCAS-2015, проходившей в начале сентября в Лионе, Франция.