# В Т С П: что мы имеем

Леонид Александрович Ашкинази

ВТСП: что мы имеем


Почему эта статья не в рубрике "Проблемы и методы", а в "Вещи и вещества"? Потому, что она не о том, что такое ВТСП (это все знают), и не о том, почему он сверхпроводит (этого никто не знает), а о том, что сегодня сделано человечеством из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).


Скоро исполнится 90 лет открытию сверхпроводимости и 40 лет сверхпроводниковым технологиям. На их основе было сделано много интересного и нужного для науки: уникальные ускорители, детекторы для ядерной физики и физики элементарных частиц, установки для термоядерных исследований, измерительные приборы рекордной чувствительности и точности. На их же основе создано оборудование, успешно захватившее свой сектор рынка: магниторезонансные томографы, высокоградиентные магнитные сепараторы, индуктивные накопители электроэнергии. Какие материалы при этом использовались?


Сильноточные примерения - ВТСП в энергетике


Когда люди только начали создавать ВТСП-устройства, для них было всего два материала - сплав Nb-Ti и интерметаллид Nb3Sn. Нет в мире совешенства - у второго лучше параметры, но он дороже и его технология сложнее. Оба материала надо охлаждать жидким гелием. Провода на основе этих материалов были сложными композитными конструкциями, которые содержали ультратонкие (до долей микрона) нити собственно сверхпроводника. Значения параметров, которые удавалось при этом получить, энергетиков удовлетворяли, а необходимость использовать жидкий гелий вызывала недовольство. Дорого, сложно, ненадежно и так далее.


Были разработаны сверхпроводниковые варианты основных электротехнических устройств, которые генерируют, передают, преобразуют и потребляют электроэнергию в промышленном масштабе. Например, в СССР изготовили турбогенератор мощностью 300 MВт, двигатель мощностью 10 МВт, системы движения для морского и железнодорожного транспорта, трансформаторы, токоограничители, линии электропередач, индуктивные накопители энергии. Все это оборудование имело меньшие, чем традиционные устройства, потери, вес и размер (иногда в два - три раза). Но криогенное оборудование было сложным и ненадежным, а жидкий гелий дорог. И "в серию" все это не пошло.


Отвоевать свой сектор рынка удалось только таким приборам, которые были принципиально лучше традиционных. В их числе оказались магниторезонансные томографы со сверхпроводящими магнитами, сверхпроводниковые сепараторы и малые индуктивные накопители энергии. Производство сверхпроводниковых томографов началось в 80-е годы, к 90-м они потеснили на рынке более дешевые томографы с электромагнитами или постоянными магнитами. Теперь ежегодно выпускают около 1000 сверхпроводниковых магниторезонансных томографов на сумму свыше 2 млрд. дол. Сверхпроводниковые сепараторы и индуктивные накопители делают на рынке лишь первые шаги - но успешные. В СССР был создан объемно-градиентный магнитный сепаратор для обогащения бедных железистых кварцитов, в США - высокоградиентные сепараторы для прецизионной очистки каолина и сверхпроводниковые индуктивные накопители с запасенной энергией в несколько киловатт-часов. Однако на облик промышленной электроэнергетики это не повлияло.


Положение изменилось в 1986 году, когда были открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с температурами перехода в сверхпроводящее состояние, превышающими 77,3К, то есть температуру кипения жидкого азота при нормальном давлении (см. рис.). Появилась возможность вместо дорогого жидкого гелия использовать жидкий азот (сравнение жидкого гелия и азота в таблице). Однако надо было еще разработать технологию ВТСП-материалов с необходимыми эксплуатационными качествами и приемлемой стоимостью. Оказалось, что создание технологии токонесущих элементов из ВТСП-материалов - неизмеримо более сложная задача, чем технологии сверхпроводящих материалов гелиевого уровня температур. И хотя эта задача до сих пор не вполне решена, к середине 90-х годов были разработаны конструкции первого поколения ВТСП-проводов и начат их выпуск в США, Японии, странах Европы и в России.


Провода производятся методом "порошок в трубе": заготовка из серебряной трубки заполняется порошковым ВТСП-сверхпроводником, потом ее греют и деформируют, деформируют и греют, и в итоге получается лента с сечением около 4х0,3 мм и длиной до километра. Чаще всего используют соединения Bi2Sr2CaCu2Ox и Вi2Sr2Ca2Cu3Ox, а для массивных деталей соединения YBa2Cu3O7-x и NdBa2Cu3O7-x.


В промышленности переход от низкотемпературных сверхпроводников к ВТСП дает возможность заменить жидкий гелий на жидкий азот и уменьшить расходы на эксплуатацию в сотни раз. Но за прошедшие годы и криогенная техника не стояла на месте. Созданы компактные, с большим ресурсом микроохладители, надежность которых приближается к надежности домашнего холодильника. Именно успехи в криогенной технике сделали возможным широкое (около 15 тысяч установок) распространение магниторезонансных томографов с магнитами гелиевого уровня температур, привели к созданию первых промышленных сверхпроводниковых сепараторов и малых сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии для систем бесперебойного питания.


Сверхпроводниковые технологии вышли на уровень, на котором возможно создавать электроэнергетическое оборудование, существенно превосходящее традиционное по кпд, весу и объему (в два-три раза меньше и легче). Прошли испытания образцы электротехнического оборудования в сверхпроводниковом исполнении на базе ВТСП-технологий: электрические машины и токоограничители мощностью порядка мегаватт, трансформаторы мощностью до 1,5 MBт, участки линий передачи на мощность 440 MВт. В этом десятилетии начнется промышленное производство и освоение нового поколения сверхпроводникового электротехнического оборудования. Процесс его вхождения в практику не будет быстрым - система инерционна, но в результате эффективность использования электроэнергии увеличится на 5-7%. Наиболее эффективно комплексное использование такого оборудования, например, полностью состоящая из него электростанция или распределительная подстанция. Но даже применение отдельных сверхпроводниковых устройств улучшит ситуацию в энергосистемах.


"У них" и "у нас"


В развитых странах есть финансируемые правительствами программы по развитию и применению сверхпроводниковых технологий. Такие программы существуют в США, Японии и, в более скромных масштабах, в Европейском сообществе. На ранней стадии к их реализации привлекается частный капитал будущих производителей и пользователей оборудования. Им передают научно-технические разработки государственных научных организаций, а сами исследования курируются национальными лабораториями.


Американская программа развития сверхпроводящих технологий такова: к 2010 году, когда ожидается массовая замена оборудования во многих энергосистемах мира, начать поставлять на мировой рынок дешевую и компактную сверхпроводящую технику, превышающую по эффективности и надежности традиционную. По оценкам Всемирного банка объем продаж сверхпроводникового оборудования возрастет в мире с 2 млрд. дол. в 2000 году до 244 млрд. дол. в 2020-м году.


В РФ в ближайшие годы необходимо заменить 70% выработавшей свой ресурс электроэнергетической техника, надо реконструировать действующие станции и сети и построить новые. Предстоит осуществить ГОЭЛРО-2, то есть провести техническое перевооружение энергетической отрасли, деваться тут некуда. Нужно перестраивать всю цепочку, начиная от производства и транспорта энергоносителей, производства тепла, электрической энергии до потребления по всей цепочке. Это будет происходить на фоне вынужденного вовлечения в хозяйственную деятельность более бедных и труднодоступных источников топлива. Решить все эти проблемы можно только на базе новых технологий. В том числе сверхпроводниковых, которые по всем параметрам лучше традиционных.


Сегодня РФ участвует в престижных международных проектах, таких, как международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЕР) и сверхпроводниковый ускоритель "Большой адронный коллайдер". Российские исследователи и разработчики сверхпроводящих материалов, магнитных систем различного назначения и нетрадиционного оборудования готовы совместно с промышленностью приступить к активному усовершенствованию электротехнического и электроэнергетического оборудования на базе современных сверхпроводниковых технологий и криогенной техники не только для удовлетворения внутренних потребностей страны, но и для выхода с этой конкурентоспособной продукцией на мировой рынок.


До сих пор речь шла о силовой, или сильноточной сверхпроводимости, однако у нее есть и другие области применения.


Слаботочные применения - ВТСП в электронике


Условно ее называют слаботочной прикладной сверхпроводимостью, или сверхпроводниковой электроникой. Работы в этом направлении велись и до открытия ВТСП. И на этом пути были реализованы высокие, близкие к предельным, квантовым, чувствительность и точность измерительных средств, а также высокая добротность резонансных систем. Были созданы сверхчувствительные измерители магнитного потока, тока и напряжения, создан квантовый эталон вольта и приемники излучения с рекордными параметрами.


Дальнейшему развитию мешали и необходимость охлаждения до гелиевых температур, и отсутствие надежного, стабильного, с контролируемыми параметрами, производства разнообразных элементов. Открытие ВТСП-материалов и совершенствование техники охлаждения ускорило и разработки по сверхпроводниковой электронике, и практическое использование ВТСП-устройств.


Сверхпроводниковую электронику принято подразделять на три области: пассивные сверхпроводящие элементы, СКВИД-электроника (сверхпроводящие квантовые интерферометрические устройства) и цифровая техника.


Что касается пассивных элементов, то использование сверхпроводимости приводит к уменьшению потерь и дисперсии сигнала, облегчению управления параметрами устройств. Разработаны, успешно испытаны и начали применяться сверхпроводниковые системы спутниковый связи, новые системы связи с подвижными объектами, новые элементы радиолокаторов. Основное рабочее вещество современной сверхпроводниковой электроники - YBa2Cu3O7-x.


В электронике используется непревзойденная чувствительность СКВИДов к изменению магнитного потока. Благодаря этому они находят применение в прецизионных приборах, измеряющих предельно малые токи, напряжение и изменение магнитного потока. По этим параметрам можно оценивать многообразные свойства и явления - от перемещения в пространстве до химического превращения.


Весьма интересными представляются разработки нового поколения магнитометрических систем неразрушающего контроля, необходимых в первую очередь атомной, авиационной и космической промышленности. Перспективны направления медицинской диагностики - магнитокардиография и магнитоэнцефалография. Разработанный в России магнитокардиограф на основе СКВИДов предназначен для неинвазивного исследования кардиомагнитных сигналов, его используют для определения и количественной оценки ранней стадии ишемии, опасных для жизни аритмий (с его помощью находят аритмогенные ткани сердца), для предсказания риска внезапной смерти.


В области цифровой сверхпроводниковой электроники происходит постоянный рост числа элементов на одном чине, и по-прежнему заветной целью остается создание устройств с тактовой частотой более 100 ГГц и энерговыделением на один вентиль менее 0,1 мкВт. В космическом эксперименте на спутнике ARGOS испытывались сверхпроводниковые цифровые подсистемы, обеспечивающие более чем 100-кратное снижение потребления мощности при 10-кратном увеличении быстродействия и 10-кратном уменьшении массы по сравнению с полупроводниковыми.


Судя по всему, сверхпроводящие технологии и устройства не слишком быстро, но уверенно займут свое место в жизни. Разумеется, при условии, что не будет открыта сверхпроводимость "при комнатной температуре". А реально - при слегка повышенной: оборудование при работе обычно греется, не все же в нем можно сделать "сверх". Или все?


Азот


Гелий Скрытая теплота испарения, МДж/м3


161


2,58 Теплосъем, кВт/м2


115-180


9-10 Цена, дол./литр


0,11-0,3


5-10 Затраты мощности, Вт на отбор 1 Вт


8-12


450-800


По материалам публикаций члена-корреспондента РАН Н.А.Черноплекова