Зачем нужны 3G?
2006, Tом 3, выпуск 3
Тематика: Позиция
Проф. В.Е. Кейлин, известный разработчик сверхпроводниковых магнитных систем, в своих выступлениях неоднократно заявлял о необходимости приступить к разработке ВТСП проводников «3-го поколения» (в уже принятой терминологии, 3G), имея в виду про-водники круглого сечения. Ниже Виктор Ефимович комментирует это предложение.
Почему разработчиков ВТСП устройств не вполне устраивают проводники ленточного типа?
КВЕ. Возьмем для примера магниты и устройства на их основе (электродвигатели, генераторы, трансформаторы, накопители). Магниты делают самые разные - маленькие, большие и очень большие. Не вдаваясь в физическое обоснование, скажу, что, чем больше магнит, тем большего сечения проводник требуется для его изготовления. Если в качестве образца для сопоставления взять низкотемпературные сверхпроводники, то они выпускаются с очень большим разнообразием конфигураций, основой которых является единичный провод. Это, как правило, круглая проволочка диаметром около 1 мм, из которой затем и делается большое многообразие конфигураций, которое мы называем токонесущий элемент – ТНЭ, или сверхпроводящий кабель (также английский термин - composite conductor). Примеры разного рода используемых токонесущих элементов представлены на рисунке.
Слева на рисунке - проводник NbTi, из которого сделан токамак Т-7 (реально самого сверхпроводника здесь всего несколько процентов), третий слева проводник – на основе Nb3Sn для токамака Т-15 (он состоит из скрутки 11 проводов диаметром 1,5 мм). Возможны и другие варианты скрутки прямоугольного (почти ленточного) сечения, известные под названием резерфордовского кабеля (к слову, он так назван не в честь ученого, а в честь лаборатории его имени, где эта конструкция была предложена). Все поворотные магниты Большого адронного коллайдера (LHC), строительство которого завершается, сделаны из резерфордовского кабеля. На основе такого же резерфордовского кабеля, заключенного внутрь массивной алюминиевой матрицы, сделаны магниты детекторов ATLAS на том же адронном коллайдере. Другая ши-роко распространенная разновидность проводников, кабель-в-оболочке (английский термин CIC – cable-in-conduit), служит, например, для изготовления магнитов для токамаков – китайского (EAST), корейского (KSTAR), индийского (SST-1) и международного термоядерного реактора по проекту ITER.
Перечисленные примеры не исчерпывают все разновидности НТСП проводников, используемых для создания магнитов различного назначения (в том числе и для накопителей). Если внимательно посмотреть, то во всех этих ТНЭ соблюден принцип полной транспозиции, т.е. повторяемости рисунка скрутки с определенным периодом, что необходимо для снижения потерь и повышения стабильности магнитов на основе НТСП. Принципиально все это нужно и для ВТСП магнитов, хотя в ВТСП магнитах острота проблемы потерь и стабильности заметно меньше, в частности, потому, что при азотных температурах теплоемкость всех материалов на несколько порядков больше, чем при гелиевых, и по-этому возможность поглощения тепла, связанного с потерями, и устойчивость гораздо выше. Это – в пользу ВТСП. Но все равно для больших магнитов нужны проводники большого поперечного сечения, которые понятно, как делать из проводников круглого сечения и совершенно не понятно, как делать из ленточных проводников.
А не спасут ли положение многослойки – «ВСТП-буфер-ВТСП-буфер….»?
КВЕ. Нет. В многослойке нет того, что называется транспонированием, нет трансляционной симмет-рии. Поэтому многослойка – не идеальна, особенно с точки зрения потерь, так важных в электротехнических устройствах, например, в трансформаторах. В трансформаторах важны, с одной стороны, низкие потери, а, с другой стороны, равномерное распределение тока по отдельным элементам проводника, по отдельным проволочкам или лентам. Многослойка не выдерживает критики с обеих точек зрения.
Пока не ясно, как перейти от ленточек даже к самому простому композитному транспонированному проводнику. Возьмем трансформатор. Если он понижающий или повышающий, то ток в одной обмотке должен быть в несколько раз большим, чем в другой. Поэтому нужно использовать n-лент, где n –коэффициент трансформации. Для того, чтобы потери были разумными, эти ленты должны быть транспонированы, но как их транспонировать, сие не ясно (пока это слабое место ВТСП). Оговорюсь, что в имеющихся прототипах трансформаторов все же используют некие методы транспозиции нескольких ВТСП лент, соединенных параллельно.
В электромашинах тоже нужны приличные поля, конечно, не 10 Тл. В обычных (не сверхпроводниковых) электродвигателях и генераторах достигается максимальное поле 1,5 Тл, которое обеспечивает сталь. Использование ВТСП проводов может привести к уменьшению количества электротехнической стали и, как следствие, увеличению магнитных по-лей (до 2,5-3 Тл и выше). Но при азотной температу-ре в поле 1Тл ток в ВТСП падает втрое.
В публикациях подчеркивается также исключение в круглых проводниках проблем, связанных с анизотропией тока в магнитном поле?
КВЕ. Само собой ясно, что в круглых проводниках анизотропии вообще не может быть. Но в сегодняш-ней ситуации, когда ВТСП проводники даже 2-го поколения можно использовать в высоких магнитных полях пока только при пониженных температурах (скажем, 35 К), проблема анизотропии не существенна. Как показали ученые American Superconductor, при 35 К величина анизотропии вполне приемлема для большинства применений.
Таким образом ВТСП ленты 1-го и 2-го поколения должны пройти еще очень длинный путь, прежде чем они станут похожими на ТНЭ, из которых мы привыкли изготавливать электротехнические устройства действительно высокого уровня. Во всяком случае, нужно будет решить проблемы изготовления скрутки, деформирующей ВТСП провод и вносящий вредные для сверхпроводящих свойств дефекты. Нужно решить технологические проблемы предварительного изготовления ТНЭ необходимой конфигурации и лишь последующего формирования ВТСП слоя. Нет сомнения, что разработчики ВТСП лент 1-го и 2-го поколения осознают эти проблемы и найдут их решение.
Но во ВНИИКП делают скрутку, не разрушающую сверхпроводящих свойств (см. фото)?
Да, это так. И это – большой успех российских разработчиков, с которым готов их искренне поздравить. Но все, что мы говорили выше, относится к ВТСП проводникам для устройств, требующих работы в магнитном поле. Другое дело – силовые ВТСП кабели – это, пожалуй, единственное исключение, к которому не относится все вышесказанное. Для применений в силовых ВТСП кабелях скрутка делается на большом радиусе и несколько параллельных ВТСП проводов можно в эту спираль завить. Кроме того, в таких кабелях чрезвычайно благоприятная конфигурация собственного магнитного поля - параллельно по-верхности ВТСП лент. Влияние поля на токонесущую способность при этом гораздо меньше. Правда, здесь есть другие трудности, не относящиеся к сверхпроводникам, но еще требующие решения. Они относятся к охлаждению весьма протяженных объектов (до десятков км). То, что делается сейчас, это куски линии протяженностью до 600м.