О сверхпроводимости

Многочисленные примеры предыдущей главы показали, какую большую роль играют сверхнизкие температуры в современной технике. Однако там ничего не было сказано о сверхпроводимости - явлении, открытие которого многие специалисты считают одним из основных результатов проникновения в "окрестности" абсолютного нуля.

Не так давно был поставлен следующий эксперимент. Свинцовое кольцо охладили до сверхпроводящего состояния, а затем в нем навели электрический ток. Сверхнизкая температура поддерживалась в течение нескольких лет, и все это время в кольце циркулировал электрический ток. Когда провели тщательные измерения, то никаких изменений тока обнаружить не удалось. Значит, это не просто хорошая электропроводимость, а именно из ряда вон выходящее явление - сверхпроводимость.

Сверхпроводники - не только "абсолютные проводники", но и идеальные диамагнетики. Помещенные в магнитное поле, они выталкивают его из себя и стремятся занять положение там, где напряженность поля меньше всего. Обнаружилось также, что имеются сверхпроводники первого и второго рода. К первому относятся те, которые теряют сверхпроводимость не только при 3-7 К, но и при слабом магнитном воздействии. С представителями второй группы этого не происходит при 9 - 21 К и даже в сверхсильном магнитном поле. Они пропускают электрический ток плотностью до миллиона ампер на квадратный сантиметр.

Расширилось и количество материалов, которые в соответствующих условиях становятся сверхпроводящими. Сегодня это 28 металлов и свыше тысячи сплавов. Многие из них перестают оказывать сопротивление электрическому току при температуре более высокой, чем температура жидкого гелия. Среди химических элементов следует выделить техниций - 8 К и ниобий - 9,5 К. У сплавов этот показатель выше. У сплава молибдена и технеция сверхпроводимость сохраняется при 14 К. Ниобий в соединении с оловом "держит" ее при 18,2 К. Самое последнее достижение - 20 К принадлежит сплаву, в котором участвуют ниобий, алюминий и германий: осталось "пройти" несколько десятых долей градуса и сверхпроводимости удастся добиться при температуре жидкого водорода, который во многие сотни раз дешевле, а значит, и доступнее гелия.

Следует также добавить, что сегодня все, кто занят проблемой сверхпроводимости, вооружены хорошо разработанной теорией, которая много раз проверена, подтверждена и уточнена и которая намечает пути дальнейших исследований. Одним словом, в теоретическом и экспериментальном плане сверхпроводимости по-прежнему уделяется много внимания.

Столь массированное изучение привело к хорошим практическим результатам. Если 10 - 15 лет назад о применении сверхпроводимости говорили предположительно, то сейчас речь идет о первых промышленных образцах различных установок, в которых это явление уже реализовано. Лидер в освоении новой области - энергетика, располагающая необходимыми сверхпроводящими тепло- и электроизоляционными конструкционными материалами, ожижителями, криостатами, трубопроводами и т.д.

...Обычный соленоид - это набор медных дисков, соединенных между собой. Именно такая конструкция позволила перед войной получить напряженность магнитного поля в 100 кЭ. Соленоид с медными дисками использовали для выделения U235 из природного урана во время работы над Манхэттенским проектом. Современные соленоиды традиционного устройства делают из высококачественных материалов, их магнитные, токовые и тепловые характеристики рассчитывают на электрических вычислительных машинах. Рекордное стационарное магнитное поле, установленное с их помощью, имеет напряженность 225 кЭ: за последние 30 лет его величина выросла всего лишь вдвое.

Сегодня невозможно определить количество сверхпроводящих соленоидов, работающих во всем мире. Их может изготовить любая физическая лаборатория, располагающая сверхпроводящей проволокой и опытом работы с жидким гелием. Разумеется, лабораторные экземпляры невелики по размерам. Но именно они - прообраз опытно-промышленных образцов, которыми в настоящее время располагают многие страны.

Один из крупнейших советских соленоидов имеет высоту обмотки 28 см, наружный диаметр - 70 см, вес - 600 кг. Обмоточный провод - медная лента размером 25×2 мм. В нее впрессовано от 10 до 30 сверхпроводящих проволок из "ниобия-циркония" с латунным покрытием. Соленоид размещен в криостате диаметром 80 см и высотой 200 см. В него входит 300 л жидкого гелия. В последнее время за рубежом появились соленоиды, вес которых достигает 10 т. Для одного из них создан криостат объемом 3000 л. Жидкий гелий заливается в течение трех недель.

Качества сверхпроводящих соленоидов оценивают очень высоко. Они меньше, чем обычные, более удобны в работе, легче создают высокооднородные магнитные поля, стабильны во времени. Достаточно ввести в такой соленоид электрический ток, правильно замкнуть цепь, и он не потребует никакого электропитания. Энергия понадобится лишь для производства жидкого гелия и его доставки в криостат. Сверхпроводящие соленоиды успешно генерируют магнитные поля в объемах до 10 м³, что недостижимо для обычных соленоидов.

Совсем недавно советским специалистам удалось получить стационарное поле в 250 кЭ. Был использован комбинированный агрегат, в котором по осевой линии совмещены обычный водоохлаждаемый и сверхпроводящий соленоиды. Они расположены в ванне с жидким гелием, которая, в свою очередь, находится в криостате с вакуумной изоляцией и экранами из жидкого азота. Использовались два типа сверхпроводящих материалов NbTi и NbZr. Авторы новой установки считают, что в будущем комбинированным способом удастся получить стационарное магнитное поле напряженностью 300-350 кЭ.

Сверхпроводящие обмотки возбуждения можно располагать на роторе обычных синхронных машин или устанавливать неподвижно. Тогда якорь будет вращаться вокруг них снаружи или внутри объема, ограниченного соленоидом. Уже создан лабораторный образец синхронного генератора с вращающейся сверхпроводящей обмоткой. Предложена конструкция синхронного генератора, у которого сверхпроводящая обмотка неподвижна. Такой однофазный генератор на 8 кВА при частоте 400 Гц будет в 3 раза легче равноценных ему обычных моделей. Считается, что его мощность удастся поднять до уровня 1 МВА и даже выше. Это в 20 раз больше, чем могут дать традиционные конструкции того же типа.

Спроектированы машины со сверхпроводящими обмотками статора и ротора. Одна из них предназначена для снабжения электроэнергией летательных аппаратов. Это малогабаритный синхронный генератор мощностью 50 кВт. Обмотка якоря из ленты Nb₃Sn. Из того же материала изготовлена короткозамкнутая обмотка возбуждения машины постоянного тока (СССР). Сначала катушку с 400 витками провода помещают в сосуд с температурой 78 К. Затем туда заливают жидкий гелий-катушка приобретает сверхпроводящие свойства. В ней наводится ток, который поддерживает связанный с ней магнитный поток. В отверстие магнитопровода вставляют обмотки возбуждения и якоря стандартной машины. Напряжение снимается с ее коллектора обычным способом.

Специалисты считают, что в ближайшие 5 лет электрические машины и аппараты с обмотками из сверхпроводящих материалов начнут работать в энергетике страны.

Современные мощные трансформаторы - надежные и высокоэкономичные установки с большим КПД (99%). Средняя вероятность повреждения у них в 10- 15 раз ниже, чем у синхронных генераторов той же мощности. И все же энергетики имеют к трансформаторам определенные претензии. Мощность всех трансформаторов сегодня в 5-6 раз превышает мощность генераторного оборудования. Достаточно снизить потери, в трансформаторах всего лишь вдвое, чтобы сэкономить до 3 ГВт установленной мощности электростанций.

Трансформаторы - самые большие грузы на железных дорогах. Проектировщики, стесненные транспортными ограничениями, вынуждены создавать для установок большой мощности однофазные конструкции. Это еще на 20% увеличивает расход материалов. А ведь сталь и проводниковые материалы всех трансформаторов весят более 1 млн. т!

Можно ли разрешить сложные проблемы трансформагоростроения, создав сверхпроводящие трансформаторы? Разработаны и действуют экспериментальные модели в Англии, Франции и ряде других стран. Но сегодня энергетики не рискуют делать ставку на криогенные трансформаторы: то, что выгадывается на обмотке, "съедается" ограниченными возможностями стального магнитопровода. Кроме того, охлаждение сильно усложняет конструкцию, делает ее очень дорогой. Кто- то из зарубежных электриков сказал, что сверхпроводниковые трансформаторы еще не созрели для того, чтобы появиться на свет. Конечно, (Создатели трансформаторов располагают различными способами решения трудных вопросов. Но возможно, что все-таки решение придет от специалистов по сверхпроводимости: с ее помощью, может, и нельзя будет создать трансформаторы, но можно электрические машины большой единичной мощности, да и линии электропередач, которые смогут эту мощность передавать без трансформации.

В ближайшее время потребуется передавать большие количества энергии на относительно близкие расстояния. Считается, что лучше всего это сделать с помощью глубоких вводов высокого напряжения в центры нагрузки. Линии высокого напряжения смогут проникать прямо в глубь городов, а не оканчиваться на их окраине. Создавать такие вводы в виде обычных воздушных линий Нерентабельно - слишком много дорогостоящей земли придется занимать под полосы отчуждения. Нелегко использовать для тех же целей обычные невоздушные линии. От них придется отводить большое количество тепла: расширять траншеи, засыпать их более теплопроводным грунтом, смачивать грунт вдоль энерготрассы, охлаждать кабель водой, газом или маслом.

Проблема передачи больших количеств энергии на длинные и короткие расстояния может быть решена разными способами^*. Один из них - создание сверхпроводящих кабелей. Модели таких кабелей уже разработаны в ряде стран. В Советском Союзе экспериментальные линии сооружены в Энергетическом институте им. Г.М. Кржижановского. Одна из них имеет длину 12 м. Ее сверхпроводящие жилы - металлические трубки, в которых циркулирует жидкий гелий. Они "одеты" в сложную систему теплозащиты: слой глубокого вакуума, рубашки из жидкого азота, теплоизолирующие маты, покрытые серебристой фольгой. В опытной линии стоят мощные вакуумные насосы и установки для производства жидкого гелия. По ней можно передавать ток до 10 тыс. А при напряжениях свыше 10 тыс. В. Эта модель - прообраз мощного трехфазного кабеля большой длины.

^* (Подробнее в брошюре В.А. Веникова, Ю.Е. Астахова "Транспорт электроэнергии" (М., "Знание", 1976).)

В Англии изготовлен участок кабеля в виде однофазной коаксиальной конструкции из ниобиевых проводников длиной 2,7 м. На его концах установлены однофазные сверхпроводящие трансформаторы. Токопровод и трансформаторы охлаждают жидким гелием. Модель служит прототипом промышленного кабеля, который сможет пропустить в 6 раз большую мощность, чем маслонаполненный, - одно из последних достижений электротехники.

В экспериментальной установке, сконструированной в США, сверхпроводники - коаксиальные ниобиевые трубки длиной 6,1 м. В некоторых опытах использован ниобий, осажденный на медную проволоку гальваническим способом. От источника энергии поступает ток до 10 тыс. А и напряжением 25 В.

Экспериментальные установки невелики по размерам. Но вскоре появятся промышленные сверхпроводящие линии электропередач. На модели института им. Г. М. Кржижановского ведутся исследования возможности постройки опытно-промышленного участка московской энергосистемы.

Современная техника требует устройств, которые могли бы мгновенно выделять большую мощность. Сегодня это в основном конденсаторы, а точнее, батареи конденсаторов, занимающих, как правило, много места: в них плотность "упакованной" энергии составляет всего 0,4 МДж/м³. Причем велики потери из-за сопротивления катушек. Так, при хранении 1 МДж в магнитном поле 100 кЭ в медной обмотке, охлаждаемой водой, теряется мощность 1000 кВт. Поэтому в последнее время много говорят о накопителях индуктивного типа. В 1 м³ такого накопителя можно упаковать в 100 раз больше энергии, чем в 1 м³ конденсатора.

Сверхпроводящие обмотки индуктивных накопителей делают их еще более выгодными для практического использования. Они все чаще применяются в качестве импульсных источников питания. Одна из схем подобного источника выглядит следующим образом. Низковольтный источник мощностью 5 кВт заряжает обмотку индуктивностью 620 МГн из семижильного ниобий- титанового кабеля. Запасаемая энергия - 16 тыс. Дж.

Энергия, аккумулируемая в сверхпроводящих соленоидах, настолько велика, что их можно использовать как энергетические "кладовые". Во Франции, например, проектируется сверхпроводящий накопитель для восполнения недостающей, энергии в часы пик. Ночью он будет ее "складировать", а днем выдавать в те часы, когда она особенно нужна. Накопитель напоминает огромную баранку диаметром 136 м, заполненную жидким азотом и жидким гелием. В них сверхпроводящие кабели, по которым циркулирует электрический ток в 150 тыс. А. Емкость сверхпроводящего аккумулятора 3 млн. кВт-ч. Это энергия рабочей смены Днепрогэса.

Правда, строительство сверхпроводящих накопителей энергии потребует значительных капиталовложений. Они могут потребовать больше затрат, чем на сооружение гидроаккумулирующих станций той же мощности. При "складировании" 1,8-10¹¹ Дж для такого накопителя потребуется здание площадью 50 м² и высотой 10 м. Дорого стоит и обслуживание. Однако расчеты показывают, что в конечном итоге применять сверхпроводящие "запасники" энергии экономически выгоднее, чем традиционные системы.

Еще одно достоинство сверхпроводящих соленоидов в большой энергетике: их можно заряжать малыми порциями электрического тока от источника небольшой мощности. Это резко снизит потери от джоулева тепла.

Сверхпроводящие соленоиды полезны не только в энергетике. Большая часть их используется в физике, остальные в химии, радиоэлектронике, биологии, металлофизике. Основная их обязанность - создание сверхсильных магнитных полей. Такие поля нужны для удержания плазмы при термоядерной реакции. По расчетам специалистов плазма будет иметь температуру около 1 млрд. К и содержать в 1 см³ 10¹⁵ частиц. Давление составит около 1,2-10⁷ Н/м²! Управиться с таким жгутом можно только с помощью сверхсильных магнитов.

Они же - незаменимая часть нынешних экспериментальных магнитогидродинамических установок. Итог многолетним работам в этой области недавно подвел академик В. Кириллин: "Уже решаются практические вопросы создания промышленной установки с МГД- генератором мощностью порядка 1 млн. кВт в период до 1981 -1982 гг.". МГД-установки перспективны для работы в маневренном - "полупиковом" режиме и в случае упрощенной схемы - в "пиковом" режиме.

На сверхпроводящие магнитные системы возлагаются большие надежды при освоении космоса. Два таких устройства, охлаждаемые жидким гелием, впервые были установлены на советском искусственном спутнике Земли "Космос-140". Ток в обмотку соленоидов пускали еще на Земле до запуска. Он просуществовал более 10 ч. Следующие более сложные исследования проводились на спутнике "Космос-213". Два соленоида располагались соосно, между ними имелся зазор, в котором напряженность магнитного поля достигала 20 тыс. Э. Его можно было использовать для анализа космических лучей. Опыты подтвердили: сверхнизкие температуры сохраняются в космосе, а значит, сохраняют свои свойства сверхпроводящие системы на борту космических аппаратов. Сверхпроводящий шар, изготовленный, скажем, из ниобия или его сплава, может парить в магнитном поле. Если теперь его раскрутить, то он - ротор гироскопа. Ему не нужны подшипники, что повысит надежность гироскопа и точность. Такой шар можно взять за основу систем ориентации и стабилизации спутников.

Магнитное поле способно надежно защитить космонавтов от радиоактивного излучения. Для этого надо "окутать" им обитаемую часть корабля. Кроме того, сверхпроводящий соленоид можно использовать как аккумулятор энергии для дальних космических путешествий. Он же создаст сверхсильное магнитное поле для магнитного торможения космических аппаратов при входе в атмосферу.

Магнитные поля сверхпроводящих соленоидов предполагают использовать и в наземном транспорте. В Канаде разработан проект поезда на магнитной подушке. Сам вагон будет ротором, а роль обмоток статора сыграют катушки, заложенные в дорогу. Только вагон-ротор не будет вращаться, а станет скользить вдоль катушек на высоте 22 см. В нем предполагается использовать сверхпроводящие магниты. Скорость такого поезда по расчетам должна составить 480 км/ч. Он сможет перевозить до 100 пассажиров.

Внедрение сверхпроводимости в технику сдерживает то, что она наблюдается только при сверхнизких, главным образом гелиевых температурах. Это чрезвычайно усложняет все устройства, использующие сверхпроводимость, а во многих случаях делает их создание невозможным. Поэтому инженеры хотели бы получить в свое распоряжение материалы, которые сохраняли бы сверхпроводимость при более высоких температурах, желательно комнатных.

До недавнего времени считалось, что это принципиально неосуществимо. Назывался предел температуры в 25-30 К. Но последние исследования вселяют надежду. Физики-теоретики пришли к выводу, что может существовать вещество, в котором сверхпроводимость не будет исчезать при 2000 К! Один из вариантов такого гипотетического вещества - цепочка атомов углерода с одинарными и двойными связями. Советские физики академик В. Л. Гинзбург и доктор физико-математических наук Д. А. Киржниц предложили другую модель: на поверхности твердого тела из-за искажений кристаллической решетки могут появиться такие условия, которые приведут к появлению сверхпроводящего состояния.

Академик В. Л. Гинзбуруг полагает, что если сверхпроводимость при положительных температурах вообще возможна, то она будет реализована в плоских слоистых системах, называемых сэндвичами. Сэндвич - это тонкий слой металла, расположенный между двумя пластинками диэлектрика. По теоретическим опенкам они отвечают почти всем требованиям сверхпроводимости при высоких температурах. Промелькнуло сообщение о том, что двое индийских ученых уже наблюдали сверхпроводимость при комнатной температуре. Они добились этого, воздействуя мощным лазером на тонкие полупроводниковые пленки.

Что обещает высокотемпературная сверхпроводимость технике? Создание машин и механизмов, которые сегодня относятся к разряду фантастических. Именно поэтому интенсивные исследования в данной области продолжаются, несмотря на все теоретические и практические трудности, которые встречаются на этом пути^*.

^* (О некоторых возможностях практического применения сверхпроводимости можно прочитать в брошюре Ф.Г. Патрунова "Использование криогенных температур" (М., "Знание", 1975).)