Успех сверхпроводников в электроэнергетике обеспечат 2G ВТСП провода
2004, Tом 1, выпуск 1
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения
Сверхпроводники обеспечивают решение проблем качества и надежности электрических сетей и, как результат, например, по оценкам EPRI, экономию 30 млрд. долл. в год за счет исключения потерь электроэнергии только в сегодняшних электрических сетях США.
К 2010 г. - времени наиболее активной замены электроэнергетического оборудования, отработавшего свой срок во многих энергосистемах мира, электро-машиностроительные фирмы США стремятся завоеать большую часть мирового рынка, предъявив ему дешевое и компактное сверхпроводниковое оборудование, превышающее по эффективности и надежности оборудование традиционного исполнения.
…от ВТСП-1 к ВТСП-2
На первом этапе разработки сильноточных ВТСП проводов большинство разработчиков сосредоточи-лось на хорошо освоенной ранее (на низкотемпературных сверхпроводниках) технологии «порошок-в-трубе». Этот технологический процесс включает 3 этапа – 1) заполнение металлической трубки (как правило, из серебра) ВТСП порошком-прекурсором (в основном Bi-системы); 2) обжим и прокатка заполненной трубки; 3) многократные циклы «отжиг-плоская прокатка». В России в ГНЦ ВНИИНМ им. акад. Бочвара по технологии «порошок-в-трубе» получены ленты Bi-системы длиной до 250 м.
Рис. 1. Фото ленты Bi-2223/Ag, полученной во ВНИИНМ. В верхней части рисунка – поперечное сечение ленты.
Однако, технология «порошок-в-трубе» обладает рядом недостатков – 1) необходимость деформиро-вать ВТСП материал в процессе прокатки (отсюда – многократные отжиги); 2) токонесущая способность полученных проводов висмутовой системы падает уже в магнитных полях ~1 Тл (что ограничивает их применение в ряде устройств); 3) высокая стоимость, определяемая не в последнюю очередь дороговизной серебряной матрицы.
Свою задачу эти материалы выполнили - на прототипах изделий (а их изготовлено много - кабели, трансформаторы, ограничители и регуляторы тока, моторы и генераторы) показано принципиальное преимущество ВТСП сильноточных устройств перед традиционными. Оставив за ними название ВТСП провода 1-го поколения - 1G, разработчики приступили к принципиально новой технологии – пленочной (за рубежом более принят термин «покрывная» (coated) технология) – ВТСП (Y- система) материал осаждается на специальным образом подготовленную ленточную подложку (исключается процедура деформации ВТСП материала). Результаты – весьма обнадеживают. Новые провода получили название ВТСП провода 2-го поколения (2G – second generation).
Технологические этапы получения 2G ВТСП проводов
Рис. 2.
Рис. 3. Сравнение поведения плотности критического тока в магнитных полях для ВТСП проводов Bi- (1G) и Y- систем (2G).
Характеристики 2G ВТСП проводов (на основе иттриевой системы YBaCuO) в сравнении с 1G ВТСП проводами (BiSrCaCuO) представлены на рис. 3 - плотность критического тока в проводах на основе Y-системы более, чем в 10 раз выше, чем в проводах Bi-системы, и остается на этом уровне в значительно большем интервале магнитных полей.
…ВТСП-2 в США
Перед конкурирующими фирмами мира стоит задача первыми выйти на освоение промышленного производства 2G ВТСП проводов высокого качества со стоимостью (к концу десятилетия) меньше или равной 10 долл./1 кА·м. Длительное время более значительные успехи на этом пути демонстрировали фирмы Японии, благодаря все возрастающим правительственным инвестициям. Для того чтобы перехватить инициативу, в США в дополнение к действующей программе Министерства энергетики (DoE) - SPI (Superconductive Partner Initiative) открыто финансирование программы ACCI - Accelerated Coated Conductor Initiative (Инициатива ускоренного освоения пленочных проводов).
Перед Национальными лабораториями США поставлена задача поиска оптимальной технологии 2G ВТСП проводов. Каждая из трех лабораторий – Лос-Аламосская (LANL), Окриджская (ORNL) и Аргоннская (ANL) - разрабатывала независимые методы ее решения. В результате SuperPower, Inc. выбрала своим партнером LANL, подписав с ней в 1999 году соглашение о безвозмездной передаче разработанной технологии (в соответствии с политикой, проводимой МЭ США). Со своей стороны Министерство энергетики выделило LANL в 2001 году 2,6 млн. долл. (в том числе 1,9 млн. долл. на капитальные затраты) для доведения технологического процесса до стадии массового производства ленточных проводов иттриевой системы - YBaCuO шириной 1 см и длиной не менее 1 м на токи не менее 120 А.
LANL использует два подхода для осаждения ВТСП (YBCO) покрытия на гибкую металлическую подложку-ленту с текстурированным буферным слоем:
1) импульсное лазерное напыление (Pulsed Laser Deposition, PLD),
2) ионно-лучевое осаждение (Ion Beam-Assisted Deposition, IBAD).
Многослойная структура покрывается сверху тонким слоем серебра.
Другая американская компания American Superconductor Corp. (AMSC) в июне с.г. заключила контракт с DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency – Агентство по перспективным оборонным исследовательским проектам) на разработку 2G ВТСП проводов с высокими характеристиками для оборонных целей (системы электронного противодействия и электронные системы для вооружений). Объем финансирования – 3,1 млн. долл. на 3 года. Цель проекта – снизить стоимость 2G проводов при сохранении высоких электрических параметров. Хотя финансируемая технология предназначается для проводов специального назначения, планируемые улучшения дадут прямую выгоду и коммерческим 2G ВТСП проводам.
Контракт является частью DARPA’s Superconducting Hybrid Power Program, целью которой является разработка мощных криогенных энергосистем более компактного объема и меньшего веса при лучшей эффективности в сравнении с традиционными энергосистемами. Наряду с AMSC отдельные контракты в рамках этой программы заключены с Исследовательской лабораторией ВМС США (NRL), Окриджской (ORNL) и Лос-Аламосской (LANL) национальными лабораториями.
Заключению контракта с AMSC способствовали ее недавние заметные успехи в достижении рекордных характеристик 2G проводов в непрерывном процессе.
AMSC приобрела лицензии на RABiTS процесс под-готовки текстурированной подложки у ORNL и у Massachussets Institute of Technology (MIT) на MOD процесс формирования сверхпроводящего YBCO покрытия. К тому же AMSC самостоятельно разработала (и запатентовала) нанотехнологический процесс создания точечных дефектов (наноточек) в сверхпроводящем покрытии для усиления пининга магнитного потока, что привело к значительному возрастанию плотности критического тока.
В MOD (Metal Organic Deposition) процессе используют жидкофазный прекурсор – металлоорганический трифторацетат (TFA), впервые примененный в MIT. Прекурсор – смесь растворов трифторацетатов Y, Ba и Cu в необходимом соотношении с желаемой вязкостью наносят на подложки центрифугированием (для коротких образцов) или выдавливанием через узкую щель (для длинных образцов). Затем покрытие проходит термообработку в печи, где TFA разлагаются и образуется сверхпроводящего соединения Y-123 (толщина 1 мкм). Процесс формирования (эпитаксиальный, повторяющий структуру буферного слоя – окись церия и стабилизированная иттрием окись церия, YSZ/CeO) производят в 10 м печи с непрерывной подачей ленты. Это – наиболее дешевый из освоенных на сегодняшний день процессов получения 2G проводов.
В качестве подложки AMSC использует ленту (тол-щина 50-70 мкм) из хорошо текстурирующегося сплава Ni-5%W (или NiCrW), устойчивого к окислению при термообработке в ходе формирования слоя Y-123. В завершение процесса ленту уплощают про-каткой и разрезают вдоль для получения ленты стандартной ширины – 0, 4 см.
Последнее достижение AMSC - 34 м провод с линейной плотностью тока186 А/см.
К концу 2004 года AMSC планирует достичь производительности 10 км провода в год в кусках длиной 100 м.
На сегодняшнем уровне технологии стоимость 2G проводов оценивается в 50 долл./кА·м (для проводов «азотного» диапазона температур) и снижается до 30 долл./кА·м (для проводов, предназначенных для работы при 20-60 К). При увеличении рынка продаж (ориентировочно к 2010 году) цены могут снизиться четырехкратно, т.е. сравняться или даже стать ниже стоимости медных проводов (15 долл./кА·м).
1. American Superconductor’s URL: http://www.amsuper.com/
2. Los Alamos National Laboratory’s URL:
…ВТСП-2 в Японии
В Японии в разработке 2G ВТСП проводов заняты фирмы Toshiba, Furukawa, Sumitomo Electric Industry, Fujikura, Showa Electric. Научную поддержку разработкам оказывает ISTEC-SRL (Международный центр по сверхпроводниковой технологии – Лаборатория исследований по сверхпроводимости). При этом центре создано специальное подразделение по разработке покрытых проводов - Nagoya Coated Conductor Center.
В отличие от подхода, господствующего в США (PLD, IBAD), японские фирмы освоили процесс осаждения ВТСП покрытия из паров металлоорганиче-ских соединений (MOCVD). В качестве буферного слоя они используют GdZrO, а в качестве ВТСП покрытия исследуют соединение HoBaCuO. Цель следующего этапа разработок в Японии – достичь длины ленты – 500 м с критическим током 300 А при скорости осаждения покрытий 5 м/час.
…ВТСП-2 в Германии
Для продвижения сверхпроводниковых технологий в промышленность в Германии в 1999 году был создан консорциум Trithor GmbH. Держателем акций консорциума является MVV Energie AG, фирма-поставщик электроэнергии в потребительские сети Германии. В настоящее время консорциум занял лидирующее положение в Европе, как производитель ВТСП проводов 1-го поколения. Консорциум поставляет многожильные Bi-2223/Ag провода длиной до 1200 м в одном куске (поперечное сечение 4,1 мм х 0,22 мм) на токи 50 A, 60 A, 70 A, 80 A, 90 A (77 K, в собственном поле). В конце 2003 года консорциум получил 2 млн. евро от Европейской комиссии (EU Сommission) на создание промышленного производства 2G ВТСП проводов. Заместитель директора консорциума д-р J.Muller полагает, что сочетание высокого финансирования с научной поддержкой от лучших лабораторий Европы обеспечит резкий подъем активности 2G разработок.
По мнению M. Hegel’я, заместителя директора Energy Group инвестиционного банка «Sal. Oppenheim», кредитующего консорциум, ВТСП провода имеют шанс изменить образ всей структуры электро-энергетики.
1. Trithor Company’s URL: http://www.trithor.com/