Сверхпроводящие
кабели и провода
Знания из первоисточника
Главная Сверхпроводящие кабели и провода Теоретические и экспериментальные исследования

Базовые сверхпроводящие материалы

Основным элементом любого сверхпроводникового устройства являются сверхпроводящие материалы, из которых оно изготавливается. Более чем 45-летний опыт разработок низкотемпературных сверхпроводников и почти 20-летний опыт разработок высокотемпературных сверхпроводников создали широкую номенклатуру различных сверхпроводящих материалов, из которых могут быть созданы всевозможные сверхпроводниковые устройства.
Терминологически технические сверхпроводящие материалы делятся на две категории: низкотемпературные сверхпроводящие материалы (НТСП), имеющие критическую температуру (температуру перехода в сверхпроводящее состояние в нулевом магнитном поле) ниже 25К и работающие при гелиевом уровне температур, и высокотемпературные сверхпроводящие материалы (ВТСП), имеющие как правило критическую температуру выше 25К и зачастую способные работать при температуре, порядка температуры кипения жидкого азота (~77 К) и несколько выше.
Из множества возможных НТСП - сплавов и соединений в процессе более 40 летнего отбора определились два лидера: деформируемый сплав Nb-Ti и интерметаллическое соединение Nb3Sn, принципиально удовлетворяющие основным запросам электроэнергетики и электрофизики. Именно Nb-Ti и Nb3Sn при рабочих температурах от 1.8 до 8К перекрывают, представляющий практический интерес, интервал рабочих магнитных полей и плотностей тока в электротехнических и электрофизических устройствах.
Основными применяемыми ВТСП материалами в настоящее время являются материалы на основе соединений: Bi2Sr2CaCu2Ox (Bi-2212); Bi2Sr2Cа2Cu3Ox (Bi-2223) и YBa2Cu3O7 (Y-123).
В 2001 году был открыт новый сверхпроводник на основе соединения MgB2 с критической температурой сверхпроводимости в 39 К. Этот материал занимает промежуточное положение между низко и высокотемпературными сверхпроводниками.
На рисунке показаны области существования сверхпроводимости для различных материалов в виде зависимости критической температуры сверхпроводящего перехода от индукции внешнего магнитного поля. Этот рисунок дает представление о современных сверхпроводящих материалах и их критических температурах.
Таким образом, при практических применениях низкотемпературные сверхпроводники должны использовать в качестве хладагента жидкий гелий, высокотемпературные сверхпроводники могут использовать жидкий азот, сверхпроводники на основе MgB2 могут охлаждаться жидким водородом или неоном и, конечно, жидким гелием.

Области существования сверхпроводимости в СП материалах, обладающих практическим значением, в зависимости от температуры и индукции магнитного поля.
СП области расположены ниже соответствующих линий. В случае ВТСП приведены данные для ориентации поля параллельно поверхности ленты.

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.