Разработки 2G ВТСП в Японии, 2008 год
2008, Tом 5, выпуск 6
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения, Зарубежные фирмы и их разработки
О достижениях японцев в области создания ВТСП-лент 2-го поколения наш бюллетень уже писал в 2006-м году (том 3, выпуски 2 и 5). Год назад подошла к концу 5-летняя национальная программа по созданию технологии ВТСП-лент 2-го поколения. Японцы подводят её итоги.
Заявлено, что все поставленные в программе цели выполнены (табл. 1). Так, в феврале этого года компания Fujikura сообщила о получении ВТСП-ленты длиной 503,5 м с критическим током 349,6 А/см. Одновременно это достижение было мировым рекордом по произведению Ic*L. Для получения столь высоких результатов использовались дорогостоящие высоковакуумные методы: с помощью IBAD (Ion Beam Assisted Deposition) на подложку из хастеллоя осаждали Gd2Zr2O7, а затем, методом PLD (Pulsed Laser Deposition) – CeO2, слой ВТСП осаждали также при помощи PLD (рис. 1). Для ускорения процесса лазерного осаждения использовались несколько лазерных пучков и многократное прохождение ленты через зону осаждения, из-за чего японцы называют его MPMT-PLD (multi-plume multi-turn). Надо заметить, что заявленная оценка себестоимости менее 12 йен/А*м, скорее всего, является заниженной (сегодня это соответствует 122 долл/кА*м, что дешевле даже американской ленты). Впрочем, ВТСП-ленты 2-го поколения в Японии пока никто не продаёт.
Рис. 1. Японское оборудование для осаждения буферных слоев и слоев ВТСП, рассчитанное на изготовление до 500 м провода.
Для снижения стоимости производимых ВТСП-лент в Японии параллельно исследуются несколько путей:
1) применение химических методов осаждения (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) и Metal-Organic Decomposition (MOD));
2) применение текстурированной металлической подложки (технология Rolling-Assisted Biaxially Textured Substrates (RABiTS));
3) использование быстрого процесса IBAD MgO, аналогичного используемому американской компанией SuperPower.
Таблица 1. Цели японского национального проекта по созданию технологии ВТСП проводов
2-го поколения в 2003-2007 гг.
SRL – Superconductivity Research Laboratory, SWCC = Showa Electric Cables.
Японцы активно разрабатывают подходы к созданию эффективных центров пиннинга (рис. 2, см. также “Сверхпроводники для Электроэнергетики” т. 3 № 3 и т. 4 № 1). Одним из наиболее перспективных подходов сегодня является получение композитов ВТСП с внедрёнными “наноколонками” фазы цирконата бария (BaZrO3 = BZO); такую структуру японцы метко назвали "бамбуковой". Получение методом PLD толстых плёнок (до 5 мкм) с включениями BZO позволило достичь высоких значений тока 135 А/см при 3 Тл (В//с).
Очень важно, что внедрение наноколонок BZO позволяет существенно повысить критток при В//ab, что делает критический ток менее чувствительным к направлению поля. Сообщается также, что улучшения токонесущих характеристик удалось добиться благодаря применению обеднённых по барию составов мишени для PLD (например, GdBa1.8Cu3Ox) и соответствующих растворов для MOD. К сожалению, никаких материаловедческих объяснений такого влияния не приводится.
Рис. 2. Токонесущие характеристики плёнок RBCO (метод получения – PLD) во внешнем магнитном поле. Добавка ZrO2 приводит к образованию в матрице сверхпроводника наноразмерных колонок BaZrO3.
Интересные результаты сообщаются компанией Sumitomo. Напомним, что там разрабатывается структура HoBCO/CeO2/YSZ/CeO2/NiW, в которой ВТСП получают посредством PLD, а буферные слои – распылением. Заменив HoBCO на GdBCO, компания повысила плотность критического тока в проводах с 1 до 2,5 МА/см2. Применение вместо сплава NiW биметаллических текстурированных лент с подавленным за счёт легирования магнетизмом (т.н. clad-type tapes) позволило снизить транспортные потери на переменном токе в 3 раза, сделав их в этом отношении сопоставимыми с лентами из хастеллоя.
Исследователи в SRL успешно освоили IBAD в применении к MgO (рис. 3). Этот процесс, разработанный в Лос Аламосе и применяемый сегодня компанией SuperPower, выгодно отличается от IBAD YSZ (EHTS) и IBAD GZO (Fujikura) по производительности. Дело в том, что оксид магния хорошо текстурируется уже при очень малой толщине слоя (10 нм), в то время как производные оксида циркония получаются с требуемой текстурой только при толщинах 1 мкм и более. В SRL скорость получения первого буферного слоя удалось увеличить с 1 до 24 м/ч! Получаемый слой оксида магния обладает превосходной текстурой с углом разориентации всего 2-4о. Японцы разработали также более простой и экономичный подход с реактивным распылением MgO. В этом случае для осуществления процесса нужна только одна ионная пушка. С использованием такого подхода получены образцы с криттоком более 200 А/см.
Рис. 3. Процесс IBAD MgO. Осаждение оксида ведётся при ионной бомбардировке под определённым углом. Размер ионной пушки в SRL 22*6 см2. Справа: альтернативный, более экономичный, подход с одной ионной пушкой.
Летом этого года в Японии стартовал новый национальный ВТСП-проект MPACC, Materials and Power Application of Coated Conductor. Проект рассчитан на 5 лет. Он предполагает разработку производства ВТСП-провода 2-го поколения в количестве 10-20 км в год. Наличие собственного ВТСП-провода должно позволить японцам к 2012-2013 гг. реализо-вать запланированные пилотные проекты: СПИНЭ на 2 МДж, трансформатор мощностью 2 МВА и кабели 66 кВ-5кА и 275кВ-3кА.